2021 Fiscal Year Research-status Report
Creation of next-generation implant surface design to promote bone regeneration with nano-topography patterning
| Project/Area Number |
20K18554
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
|---|
Principal Investigator |
陳 鵬 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (70708388)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | バイオインタフェイス設計 / ナノ・バイオ表面微細構造 / チタン / フェムト秒レーザー加工 / ヒト間葉系幹細胞 / インプラント材 / 骨の再生 / 医療・福祉 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
近年、チタン（Ti）上への表面形貌の制御をして、Tiの生体細胞適合性やオッセオインテグレーション（osseointegration）を向上させるために様々な研究が盛んに行われている。Ti表面への周期的な微細構造の形成には、レーザ表面加工が有効な手法の一つであると考えられる。本研究では、次世代向けインプラント、骨再生の促進をできるTi基インタラクティブバイオ界面の創出、特に骨組織再生に関する前骨芽細胞の接着形態・増殖制御及び骨細胞への分化誘導を促進できる効果的にインプラント体表面デザインの開発を目的とする。
本年度では、フェムト秒レーザの照射によりTi基盤表面上での周期的な微細構造のある複数パターンを設計・作成でき、チタンインプランド材表面で最適な骨形成を促進できるデザインを探索した。フェムト秒レーザを照射し、Tiの表面に異方的かつ周期的なマイクロサイズとナノサイズの両構造を複合化させたハイブリッド(micro/nano-hybrid)アーキテクチャを形成した。この周期的な微細構造のあるチェッカーボードパターン、クロスラインズパターン、クロスダブルダインズパターンは3つの表面デザインが作成した。各表面パターン上での細胞接着状態は免疫蛍光染色法を用いて、試料表面に細胞の伸展および接着斑焦点の特徴的な形態および分布を解析した。さらに、各表面パターンが細胞の増殖および骨芽細胞石灰化挙動（新しい骨を形成する）に対する影響を調べた。結果より、10mmｘ10mm表面チェッカーボードパターンは有効な細胞接着、増殖や新しい骨の形成を促進でき、インプランド材表面で最適な表面デザインを判明した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の研究結果に基づいて、本年度は、フェムト秒レーザの照射によりチタン表面での周期的な微細構造のあるパターンの設計・作成し、インプランド材表面で最適な表面デザインを探索した。Ti基盤試料の表面に異方的かつ周期的なマイクロサイズとナノサイズの両構造を複合化させたハイブリッド(micro/nano-hybrid)アーキテクチャを形成し、チェッカーボードパターン、クロスラインズパターン、クロスダブルダインズパターンは3つの表面デザインが作成した。各表面パターンよる細胞接着挙動、増殖挙動、骨芽細胞石灰化の評価を行い、マウスの前骨芽細胞（MC3T3-E1 cells）の接着・増殖制御および新しい骨の形成に関する評価結果により、チタンインプランド材表面で最適な表面デザインが決められ、研究は当初の計画通りに進展している。金属表面と骨芽細胞の相互作用を最適化することにより、生物活性を有するインプラント材の表面設計・開発を進めています。
さらに、本年度得られた結果が学術的に価値の高いものであることが認められたため、国内外学会発表（5件、うち国内学会招待講演1件、国際学会招待講演2件）を通じて成果の発信を行った。今年度の達成度は「おおむね順調に進展している」と自己評価した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、過去二年間の研究を継続し、Ti表面でのチェッカーボードパターンが細胞の増殖や機能化に与える影響を解明と一般的理論への拡張する予定であった。さらに表面チェッカーボードパターンと細胞の相互作用のメカニズムを分子レベルで研究を継続することとする。得られた結果をさらに有効なレーザ表面加工技術・バイオデバイス表面デザインへとフィードバックする。具体的には、以下の項目に細分化された項目について、次年度に引き続き研究を継続する。
（１）表面デザインが細胞の増殖や機能化に与える影響を解明する：フローサイトメーター利用してチェッカーボード表面パターンは細胞の周期への影響を半定量分析する。(仮定；G1 期、S 期、G2/M期それぞれにいる細胞の割合や、細胞周期の動態を検出するのに有用)
（２）表面デザインと細胞の相互作用のメカニズムを分子レベルでの有用な情報を獲得のために、リアルタイムRT-PCRで細胞接着、増殖および分化に関する遺伝子の発現量を測定する。さらに、ヒトの骨芽細胞(MG63)を使用し、ALP活性と石灰化による骨再生関するタンパク質発現量解析による周期的微細構造を持って表面パターンが骨への分化制御・促進関する研究を行い、組織適合性獲得とその機構解明を行う。
また、研究の得られた成果は、国内外の学会における講演および学会誌への論文投稿により逐次公表する。
|
| Causes of Carryover |
（理由）次年度は、本研究プロジェクトの最終年度になりました。Ti表面での周期的な微細構造パターンに細胞周期・骨細胞への分化機構の解明と一般的表面デザイン関する理論への拡張する予定であった。そのために、細胞培養・解析用消耗品が購入を見送ったため。特に、値段が高い遺伝子分析関する消耗品（核酸抽出・精製用キットやcDNA合成・クローニング用キットやリアルタイムPCR（RT-PCR）用キットなど）の購入の予定であった。さらに、大量実験データ収集・処理の効率化のため、細胞の画像処理・解析用ソフトウェアの購入の予定であった。
（使用計画）次年度の研究費には、当初の計画通りに実験を行うための消耗品の購入や、周辺研究の調査や研究成果の発表を目的とした国内外の学会参加費を計上する。そのために、細胞培養や遺伝子発現の解析に関する消耗品の購入する必要がある。さらに、次年度は、大量データ収集の効率化のため、解析用ソフトウェアの購入の予定であった。また、国内外での学会発表のための参加登録費（旅費なし)、および学術雑誌へ論文投稿する費用に充当する予定である。
|
