2020 Fiscal Year Research-status Report
高次構造制御チタニアナノシートを用いた抗菌性歯科補綴装置の開発
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20K10049
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
野崎 浩佑 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 助教 (00507767)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
陳 鵬 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (70708388)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 酸化チタン / 光触媒作用 / 生体親和性 / 高次構造制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
歯科疾患の多くは，細菌感染症によるものであり，抗菌性生体材料の開発が望まれている．酸化チタンは，歯科用インプラント材料のコーティング材や，義歯洗浄剤，ブリーチング材料として用いられている．酸化チタンの抗菌性メカニズムには，UV照射による材料表面での酸化還元反応によるものが多く，その高機能化が求められている．酸化チタンの高機能化には，異種金属を表面に担持させ，電子の流れを制御するものや，異種元素を固溶し，吸光特性を変位させることにより達成される．しかしながら異種元素の使用は，生体材料としての安全性を加味すると，主種の検討が必要となる．そこで，酸化チタンの構造に着目した検討がなされている．酸化チタンは，一般的な合成を行うと｛101｝面が約95%を占めるが，適切な阻害剤を用いることにより｛001｝面が露出した酸化チタンを合成することが可能となる．｛001｝面は｛101｝面と比較して，表面自由エネルギーが高いことから種々のイオンやたんぱく質が吸着しやすく，また，その光触媒作用が高いことが報告されている．本年度は，このような酸化チタンの合成を試み，その抗菌活性を評価した．抗菌活性の評価として，口腔内細菌であるStreptococcus mutansにたいする細胞毒性を測定した．結晶面を制御することにより抗菌活性が異なり，｛001｝面が52%の際に，最も抗菌活性が優れていた．またUV照射下においてチタニアナノシートにおいてリン脂質膜の酸化が認められ，UV非照射下においてはNS1.0のみリン脂質膜の酸化が認められた．また，UV照射下においては，チタニアナノシートおよびチタニアナノ粒子において細胞内酸化が認められ，UV非照射下においてはチタニアナノシートにおいて細胞内酸化が認められた．以上より，チタニアのナノシート化による高機能化が示唆された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ヘキサフルオロチタン酸アンモニウムとチタンブトキシドを出発原料とし，水熱合成によりチタニアナノシートを得た．なお，フッ素とチタンの仕込み比を，0.3（NS0.3），0.5（NS0.5），0.8（NS0.8），1.0 （NS1.0），1.5（NS1.5），2.0（NS2.0）とした．なお本研究では，対照群としてチタニアナノ粒子（和光）を用いた．試料のキャラクタリゼーションとして，X線回折法(XRD)，透過型電子顕微鏡(TEM)観察を行った．XRD測定により,作製した試料はいずれもアナターゼ型チタニアであった． TEM観察により各試料の大きさを測定したところ，F/Ti比の増加に伴いナノシートの大きさが増加した．
抗菌活性の評価にはStreptococcus mutansを用いて行った．菌液に作製したチタニアナノシートを混和し，波長365nm，2.5mW/cm2にて30分間UV照射を行った．UV照射後，ATP法により生細菌数を測定した．また，UV非照射群として，アルミニウム箔にて遮光した菌液にチタニアナノシートを混和し，上記の方法にて抗菌活性を評価した．次に，抗酸化物質を用いた抗菌活性評価を行った．上記と同様の方法にて前培養を行い，菌液を調整した．菌液にL-histidine（20mM）を混和し，同様に抗菌活性を評価した．抗菌活性を評価したところ，すべての試料において濃度依存的に生菌数の減少が認められ，NS1.0が低濃度で最も効果が高かった．また，NSはUV非照射下においてもNSの増加に伴い生菌数は減少したが，UV照射によりその効果が増強した．また，L-histidine存在下では，生菌数の増加が認められ抗酸化物質はチタニアの抗菌活性を減弱することが示唆された．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，チタニアナノシートにより生じる酸化還元反応が細胞に及ぼす影響を再調査する．また，本研究ではチタニアナノシートによる高機能化が明らかとなったが，光触媒作用のみならずナノシート化により，細胞機能を制御することが示唆された．チタニアの光触媒作用の本体は，ナノシート表面で繰り返される電子供与であり，それらを制御することがチタニアの生体材料へ応用した際の高機能化に続くと考えられるが，NS1.0においてUV非照射にも関わらずその反応が促進したことは今後の検討課題と考えられる．また，そのサイズ効果に関しても検討する必要があり，今後数ナノメートルサイズのチタニアナノシートの作製を試み，その光触媒活性や生体親和性の評価が必要となる．また，歯科用インプラントのように体内埋め込み型のバイオマテリアルを設計する上で，粉体のような試料は適応することが困難で，その応用方法の開発が必要である．ナノ粒子のような試料はコーティングによる応用が検討されているが，本研究により得られた結晶方位が制御された材料の場合，その結晶方位の特徴を活用可能なコーティング法の利用が考えられる．また，ナノ粒子の細胞毒性は幅広く報告されており，本研究成果のような数十ナノメートルの大きさによる細胞毒性が懸念される．今後，チタニアナノシートの高機能化とともに安全な生体材料として利用する上でその材料設計の指針を提示することが必要と考えられる．
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| Causes of Carryover |
本年度は，新型コロナ感染症の拡大に伴い，当初計画していた抗菌性評価や生体安全性評価の進捗が遅れたため，次年度使用額が生じた．本内容は次年度に行うこととする．
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