3次元積層造形で作製し表面処理を施した次世代チタン合金インプラントの開発と応用

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K18463
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 清水 孝彬 京都大学, 医学研究科, 助教 (50835395)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 3次元積層造形 / ストロンチウム / 表面化学処理 / チタン合金 / 骨欠損 / インプラント

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、“3次元積層造形”と“表面化学処理”を組み合わせることで、患者それぞれの骨欠損の状況に適したカスタムメイドであり、かつ骨と強固に結合する新しいチタン合金インプラントを開発することである。
2019年度の成果として、第一に3次元レーザー積層造形（Selective Laser Melting法: SLM）によるチタン合金インプラントを作製し、その表面にストロンチウムを化学結合させる技術を確立した。この技術によって作成したインプラントの表面形状はマイクロ・ナノ構造を有し、通常のチタンインプランの200倍以上の表面積がありかつ担持させたストロンチウムの良好な徐放効果が得られることがわかった。次に、作成したインプラント上での前骨芽細胞の挙動・反応の評価（in vitro）を行い、表面処理による細胞毒性はなくかつ骨芽細胞への誘導を促進することを示した。最後に、単純な平板形状のインプラントをウサギ脛骨に埋入し生体内での骨結合能・骨誘導能の評価（in vivo）を行った結果、比較的早期（埋め込み後2週間）からインプラントと骨の強固な結合が起こることを証明した。
以上の研究結果から、本研究の最終目的である「骨欠損部の形状に適したカスタムメイドインプラントを作製し、さらに骨と直接結合させるために表面化学処理を施したチタン合金インプラント開発」の後半部分（骨と直接結合させるために表面化学処理）は達成された。ここまでの成果を英語論文にまとめ2019年末に投稿した。また、同内容を国内の生体材料関連の学会で発表した

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

１．3次元積層造形によるチタン合金インプラントの作製と表面化学処理：レーザー積層造形機器を用いてチタン合金インプラントを作製する工程を確立した。また、インプラント表面にストロンチウムを化学結合させる処理方法を確立した。表面の微細形状および化学的性質を評価した結果、表面形状はマイクロ・ナノ構造を有し、通常のチタンインプランの200倍以上の表面積があり骨結合に極めて有利であることが示唆された。また、担持させたストロンチウムの溶出濃度は14日間で11.4－14.7ppmであり良好な徐放効果を有していた。
２．作成したインプラント上での前骨芽細胞の挙動・反応の評価（in vitro）：MC3T3-E1（株化骨芽細胞様細胞）を作製したインプラント上で培養し、細胞のインプラントへの接着性、細胞毒性、骨芽細胞への分化能・増殖能を評価した。その結果、作成したインプラント表面上で細胞骨格が優位に伸展し良好に接着している所見がえられた。また、インプラント上での細胞毒性はみられず、一部の骨関連遺伝子マーカーにおいてはコントロールより活性が上昇しているとがわかった。
３．単純な形状のインプラントの生体内での骨結合能・骨誘導能の評価（in vivo）：単純な平板（2×2cm）形状のインプラントを作成し、ウサギ脛骨内に埋入しその骨結合能を評価した。骨結合力をインプラントと骨の界面の引き剥がし強度を測定することにより評価した結果、埋入後2週の早期の段階で、コントロール群より有意に骨結合力が高いという結果を得た。また、骨組織切片で骨とインプラントの結合比率を定量化した結果、2週の段階で優位に高い結合率を示した。
当初の予定ではインプラント作製と表面処理の確立およびインプラント上でのin vitro評価は2年目まで継続する予定であった。上記の研究成果が得られていることから、当初の計画以上に進展していると判断する。

Strategy for Future Research Activity

2019年度の研究成果から、単純な平板形状のインプラントのin vitroおよびin vivoの骨結合能評価が完遂された。2020年度以降は下記の実験を進める。
１．複雑な形状のインプラントの生体内での骨結合能・骨誘導能の評価
荷重のかかる長管骨での本インプラントの有用性を評価するため、ラット大腿骨のモデルで評価する。当初ウサギ大腿骨を使用する予定であったが、ウサギの高い跳躍力の特性上、予備実験においてインプラント埋入後に骨折が生じる可能性が高いことがわかったため、今後はラット大腿骨を使用する予定である。ラット大腿骨に、従来は再建が困難と考えられてきた骨軸方向7mmの完全骨欠損部位を作成する。3D-CADソフトウェア上で、この骨欠損部位に適合する髄内釘型インプラントを設計する。埋入期間は４週・１２週（臨床的に骨癒合が得られる可能性がある時期）、及び２４週とし、レントゲン及びＣＴで骨欠損部インプラント上の新生骨の状態を定量化する。インプラントの緩み・破損の有無を、コントロール群（表面処理なし）と比較することで、骨再建能を評価する。
２．関節形状のインプラントの生体内での骨結合能・骨誘導能の評価（in vivo）
臨床応用への最初の足掛かりとして非荷重関節で比較的単純な蝶番関節である肘関節に焦点を当て、ウサギ肘関節骨欠損モデルで評価する。上腕骨及び尺骨髄腔に適合する髄腔内ロッド部分を積層造形し表面処理を施す。蝶番関節部分には既存のチタンインプラントを用い積層造形部位とドッキングさせる。レントゲン及びＣＴで髄腔内インプラントと骨の界面の状態を評価し、インプラント緩み・破損の有無を、コントロール群（表面処理なし）と比較する。

Research Products

• [Presentation] 積層造形チタン金属の生体活性評価 (2019)
  • Author(s): 清水 優,藤林 俊介,山口 誠二,森 重雄,北垣 壽,林 信実,正本 和誉,川田 交俊,森實 一晃,奥津 弥一郎,清水 孝彬, 河井 利之,大槻 文悟,後藤 公志,松田 秀一
  • Organizer: 第39回整形外科バイオマテリアル研究会