2020 Fiscal Year Research-status Report

表面電荷制御された生体活性型インプラントの臨床応用に向けた基礎的研究

Research Project

Project/Area Number	20K10050
Research Institution	Tokyo Medical and Dental University
Principal Investigator	上野剛史東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 講師 (30359674)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	インプラント / 表面電荷 / ゼータ電位 / タンパク吸着 / 骨芽細胞
Outline of Annual Research Achievements	チタン表面における表面電荷は、生体親和性に影響する重要な物理化学的特性の１つである。生体内のpHにおいて、チタン表面は負に帯電している一方、細胞接着タンパクや細胞表面も負電荷であることから、両者に電気的な相互作用はない。本研究の目的は、チタンの表面電荷に着目し、これを実験的に変化させ、タンパク吸着への影響を明らかにすることである。マイクロラフ構造を付与したチタンディスクを0, 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, および1.0Mの水酸化リチウム水溶液（LiOH）に浸漬後、 XPS、SEM、および接触角計を用いて表面特性を評価し、さらにチタン表面のゼータ電位と等電点を計測した。また、細胞外タンパクの吸着と、骨芽細胞様細胞であるMC3T3-E1細胞の接着量を評価した。XPSとSEMの結果から、LiOH処理をしても表面形状を変えることなくチタンの酸化被膜中にLiイオンが取り込まれたことが確認された。さらに、LiOH処理によりゼータ電位および等電点は上昇した。アルブミンおよびラミニンの吸着は、LiOHの濃度の増加と共に増加した一方で、フィブロネクチンの吸着は0.25Mでの処理において最も高かった。骨芽細胞の初期細胞接着も0.25Mでの処理において最も高い接着量を示したことから、細胞接着量は吸着されたフィブロネクチンの量と関連していることが示された。本研究の結果は、チタンの表面電荷を変化させることにより、チタン表面と細胞外タンパクの直接的な電気的相互作用を与えることができる可能性を示した。本研究は、より確実な骨組織および軟組織によるインプラント表面の封鎖のために、表面電荷制御の最適化を目指すものである。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 初年度は、表面電荷制御の再現性を高める方法を確立する予定としていた。先行の方法において、ゼータ電位計測時にエラーが生じることがあった。これは、Liイオンが測定溶液中に拡散するという可能性が考えられたため、より確実にチタン酸化膜中にLiイオンを取り込む必要があると考えられる。この対策として、イオン注入法を適用する予定としていたが、電気的な吸着方法によってLiイオンをチタン表面に吸着させることには現時点で成功しており、その際のゼータ電位が正電荷に変化することも確認ができた。しかしながら現在、ゼータ電位を測定する機械に不具合が生じており、高価な機械であるにも関わらず使用頻度が少ないことから、修理にかけられる予算が不足しており、実験が再開できる目途がたっていないという事情がある。本研究において表面電荷の測定は最も重要なファクターの一つであることから、場合によっては別の機関もしくは研究協力者を探さなければならなくなるかもしれず、現在その検討中である。またこうした物理化学的実験については，北海道大学に研究協力および指導を仰いでいたが、数回の緊急事態制限により、出張および実験が制限され、思うように研究がすすめられないことが理由としてあげられる。
Strategy for Future Research Activity	これまで、Liイオン濃度は1.0M以上の濃度では細胞のアポトーシスを誘導することや、タンパクの種類によって至適濃度が存在することをすでに報告していることから、生物学的に有利な条件を選択するため、イオン濃度を電気的に制御することが必要になってくる。今後、適正な条件を見つけるために、数種類ずつの条件を設定し、生物学的な検証も含めた予備実験を行っていく予定である。細胞毒性の観点から、イオン濃度をなるべく低く設定し、かつチタン表面が正電荷になるような条件を設定することが可能になれば、予定していた細胞反応の実験に移行することが可能になると考えられる。しかしこれには、上記の表面電荷確認が必須であるため、まずはゼータ電位測定が可能になる状況を回復させることが肝要になってくる。加えて、生物学的実験を行うためにコラボレートしていた研究所も、Covid19の影響で施設使用者や使用時間を制限しており、順調に実験を行うことが考えにくい状況となっている。これに対して、自身の所属する施設内で、基本的な実験ができる環境のセットアップを始めているところである。
Causes of Carryover	Covid-19の影響により，所属機関での研究活動が縮小されてしまったことが、本年度使用予定額に満たなかった最も大きな理由と考えられる。具体的には、実際に実験をする大学院生の自宅待機期間が多かったことや、研究室や実験室を管理する方の出勤も制限されてしまったこと、加えて、共同研究者との現場での打ち合わせや施設使用もできなかったことなどが理由としてあげられる。