炭酸アパタイト骨補填材の機械的強度に及ぼす構造因子の解析

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K09935
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 野村 俊介 九州大学, 歯学研究院, 助教 (60710994)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 一郎 九州大学, 歯学研究院, 教授 (70241643)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 炭酸アパタイト / 骨補填材 / 機械的強度

Outline of Annual Research Achievements

骨組成は水酸アパタイトではなく、炭酸基を７～９重量％含む炭酸アパタイトである。典型的な骨補填材である水酸アパタイトの骨伝導性は自家骨と比較すると限定的であり、新しい骨に置換されないが、炭酸アパタイトは自家骨に匹敵する骨伝導性を示し、自家骨と同様に骨リモデリングに調和して新しい骨に置換される。炭酸アパタイト骨補填材は理想的な骨補填材となる可能性が高いが、荷重領域に応用するには機械的強度に難点がある。炭酸アパタイトは前駆体を用いた溶解析出反応で調製されるため、適切な前駆体の選択、前駆体の修飾によって機械的強度に優れる炭酸アパタイト骨補填材が調製される可能性が高い。本研究においては、石膏を前駆体とする炭酸アパタイト骨補填材の機械的強度を飛躍的に高める因子を検討することとした。
当該年度は石膏の種類および修飾が炭酸アパタイトの機械的強度に及ぼす影響の検討を行った。普通石膏、硬石膏を蒸留水で練和し、前駆体である硫酸カルシウム二水和物を調製した。分割金型（直径６ミリ、厚さ３ミリ）に練和した石膏をペースト状にして流し込むために適切な混水比を検討した結果、普通石膏0.5、硬石膏0.2の条件で作成することとした。調製した前駆体をリン酸炭酸混合溶液中に浸漬し、溶解析出反応で炭酸アパタイトへの組成変換を行った結果、マクロ構造は維持していたが、粉末X線回折装置にて組成分析を行ったところ、硬石膏で作成した前駆体を組成変換した炭酸アパタイトには普通石膏で作製したものには見られなかった無水石膏のピークを認め、純度100％の炭酸アパタイトの作製が難しいことが分かった。また両者の機械的強度に大きな差は認めず、結晶形態を走査型電子顕微鏡で確認したところ、炭酸アパタイトの結晶形態はもともとの石膏の結晶形態に依存していることが判明した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究においては、①石膏の種類および修飾が炭酸アパタイトの機械的強度に及ぼす影響の検討、②機械的強度の異なる炭酸アパタイト骨補填材の破骨細胞性吸収の解析、③機械的強度の異なる炭酸アパタイト骨補填材の骨伝導性および骨置換性の解析を行うことを目的とする。
当該年度は石膏の種類が炭酸アパタイトの機械的強度に及ぼす影響の検討を行った。結果として、石膏の種類によっては完全に炭酸アパタイトへの組成変換することが難しい可能性があると判明し、次年度以降も混水比との関係も含めて機械的強度の向上に関して更なる検討が必要であり、本格的な細胞実験、動物実験の開始を来年度以降に行うこととした。

Strategy for Future Research Activity

次年度は①石膏の修飾が炭酸アパタイトの機械的強度に及ぼす影響の検討、②細胞実験を行う。①に関しては冷間静水等方圧プレス機を用いて、圧力を負荷した条件（修飾条件）で硫酸カルシウム二水和物を調製し、調製された前駆体については組成解析（粉末X線回折）および物性解析（気孔率、圧縮強度）を行う。また、作製した前駆体はリン酸炭酸混合溶液中に浸漬し、溶解析出反応で形態を保ったまま、組成を炭酸アパタイトに変換する。前駆体の機械的強度と気孔率の関係、炭酸アパタイトの機械的強度と気孔率の関係、および前駆体と炭酸アパタイトの関係から、機械的強度の高い炭酸アパタイト骨補填材の調製に必要な構造因子を検討する予定である。
②に関しては機械的強度の異なる炭酸アパタイト骨補填材の破骨細胞性吸収の解析を行う。機械的強度が高い炭酸アパタイト骨補填材は気孔率が小さいことが予測され、気孔率の減少は破骨細胞性吸収速度の低下につながると予想される。そのため、炭酸アパタイトディスク表面で破骨細胞を培養し、機械的強度の異なる炭酸アパタイト骨補填材の破骨細胞性吸収速度を定量化することによって、組成因子以外の形状因子（気孔率）が破骨細胞性吸収に及ぼす影響の有無を解析する。破骨細胞の吸収活性の測定には、破骨細胞を試料ディスク表面に播種し、一定期間培養し、実体顕微鏡を用いてTRAP染色された試料表面上の多核巨細胞の数を測定するとともに、走査型電子顕微鏡を用いて試料表面に形成される破骨細胞による吸収窩数および吸収窩面積を定量化する予定である。

Causes of Carryover

（理由）本研究は、石膏を前駆体とする炭酸アパタイト骨補填材の機械的強度を飛躍的に高める因子を検討するとともに、作製した機械的強度の高い炭酸アパタイトが生体に及ぼす影響を細胞実験、動物実験で検討することである。当該年度は石膏の種類が炭酸アパタイトの機械的強度に及ぼす影響の検討を重点的に行い、既存の物品で実験を進めることができたこと、また細胞実験、動物実験を次年度以降に本格的に行うこととしたため、その分の費用を次年度に使用することとした。
（使用計画）次年度は細胞実験、動物実験を行う予定である。細胞実験では近交系ラットの大腿骨から骨髄細胞の細胞懸濁液を、また破骨細胞前駆細胞（RAW264:マウスの培養前駆細胞株）を使用する予定であり、また動物実験ではラット頭蓋骨への骨補填材埋入を予定しているため、細胞株および実験動物用費用がかかることが予想される。また、結果解析用のための機器、試薬の購入を予定している。