Establishment and safety evaluation of carbon nanotube (CNT) bio-interface technology for developing high-function biomaterials using CNTs

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24241045
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 齋藤 直人 信州大学, 学術研究院保健学系, 教授 (80283258)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 博之 信州大学, 学術研究院医学系, 教授 (40204490) ; 佐々木 克典 信州大学, 学術研究院医学系, 教授 (30170666) ; 樽田 誠一 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00217209) ; 宇田川 信之 松本歯科大学, 歯学部, 教授 (70245801)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ナノ機能材料 / ナノ粒子 / ナノチューブ / scaffold / DDS

Outline of Annual Research Achievements

最終年度であり、基盤研究で重要性が明らかになったテーマに絞った応用研究を実施した。
分散装置での超音波処理CNTは粒径測定の結果、繊維1本1本の状態でない事が確認されたため、新たな高出力超音波装置を購入し、物理的界面の違いによる細胞応答性を比較した。その結果、細胞とCNTとの界面の応答はシンプルなカスケードではなく、マルチなカスケードによる複合的な反応である事が明らかとなった。
CNTを単独で立体構築し力学的強度を高めたブロック体を作製してrhBMP-2を添加し、マウスの背筋内に移植したところ、十分な異所性骨形成を認めた。MC3T3-E1をブロック体上に播種し、コラーゲンよりも多く接着することを確認した。さらにCNTを連結した多孔質形状に形成したところ、良好な細胞増殖能、骨伝導能に加えて、薬剤を保持・徐放する能力に優れていた。単に骨欠損を充填するだけでなく、細胞を培養して移植するscaffoldや、薬剤を添加して徐放させるための担体としての能力を有することを明らかにした。
癌骨転移に対する治療のためのDDSにCNTを応用し、抗癌剤であるcisplatinの付加に成功した。このcisplatin付加CNTをラットの乳癌細胞に入れたところ、control群では乳癌細胞は増殖し続けたのに対し、抗癌剤付加CNT群では乳癌細胞が減少した。また、ラットの脛骨に乳がん細胞を局注し骨転移モデルを作製し、病巣にcisplatin付加CNFを入れ経時的に観察した。
リンパ管内でナノ粒子がどのように送達されるかを評価する新規イメージング技術でCNTの分散を検討した。またリンパ管の自発性収縮への影響を観察し、CNTにより自発性収縮の連続的な動きが乱れ停止と再開を繰り返し、リンパ管が次第に拡張していき自発性収縮の振幅が縮小する様子などが捉えられた。さらにCNTはリンパ管内壁に接着しやすいことを明らかにした。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chonnam National University(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: Chonnam National University
• [Journal Article] Physico-chemical, in vitro, and in vivo evaluation of a 3d unidirectional porous hydroxyapatite scaffold for bone regeneration. (2017)
  • Author(s): Tanaka M, Haniu H, Kamanaka T, Takizawa T, Sobajima A, Yoshida K, Aoki K, Okamoto M, Kato H, Saito N.
  • Journal Title: Materials Volume: 10 Pages: 33
  • DOI: 10.3390/ma10010033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A three-dimensional block structure consisting exclusively of carbon nanotubes serving as bone regeneration scaffold and as bone defect filler. (2017)
  • Author(s): Tanaka M, Sato Y, Haniu H, Nomura H, Kobayashi S, Takanashi S, Okamoto M, Takizawa T, Aoki K, Usui Y, Oishi A, Kato H, Saito N.
  • Journal Title: PLoｓ One Volume: 12 Pages: e0172601
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0172601
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] In vitro and in vivo evaluation of a three-dimensional porous multi-walled carbon nanotube scaffold for bone regeneration. (2017)
  • Author(s): Tanaka M, Sato Y, Zhang M, Haniu H, Okamoto M, Aoki K, Takizawa T, Yoshida K, Sobajima A, Kamanaka T, Kato H, Saito N.
  • Journal Title: Nanomaterials-Baseｌ Volume: 7 Pages: 46
  • DOI: 10.3390/nano7020046
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The dispersion state of tangled multi-walled carbon nanotubes affects their cytotoxicity. (2016)
  • Author(s): Kuroda C, Haniu H, Ajima K, Tanaka M, Sobajima A, Ishida H, Tsukahara T, Matsuda Y, Aoki K, Kato H, Saito N.
  • Journal Title: Nanomaterials-Basel Volume: 6 Pages: 219
  • DOI: 10.3390/nano6110219
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Carbon nanotube application and safety in artificial joint (2017)
  • Author(s): Saito N.
  • Organizer: EMN Meeting On Carbon Nanostructures
  • Place of Presentation: Orlando, USA
  • Year and Date: 2017-02-19 – 2017-02-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 摘出リンパ管を用いた新規の生体安全性評価法の確立. (2016)
  • Author(s): 安嶋久美子, 黒田千佳, 齋藤直人.
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場、福岡
  • Year and Date: 2016-11-21 – 2016-11-22
• [Presentation] 摘出リンパ管灌流システムを用いたナノマテリアルのリンパ管に与える影響. (2016)
  • Author(s): 黒田千佳, 安嶋久美子, 青木薫, 齋藤直人.
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場、福岡
  • Year and Date: 2016-11-21 – 2016-11-22
• [Presentation] ヒトデ骨由来β-TCPの骨補填材としての評価. (2016)
  • Author(s): 石田悠, 羽二生久夫, 竹内あかり, 柘植智仁, 濱野浩子, 小林亜祐美, 金子雅之, 田中学, 片上幸美, 黒田千佳, 齋藤直人.
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場、福岡
  • Year and Date: 2016-11-21 – 2016-11-22
• [Presentation] 配向連通多孔体ハイドロキシアパタイト担体のin vitroおよびin vivoにおける骨再生能評価. (2016)
  • Author(s): 田中学, 齋藤直人, 羽二生久夫, 野村博紀, 小林伸輔, 岡本正則, 青木薫, 滝沢崇, 傍島淳, 吉田和薫, 加藤博之.
  • Organizer: 第31回日本整形外科学会基礎学術集会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場、福岡
  • Year and Date: 2016-10-13 – 2016-10-14
• [Presentation] 多層カーボンナノチューブのラット膝関節内注射による他臓器への移行の検討. (2016)
  • Author(s): 傍島淳, 齋藤直人, 羽二生久夫, 青木薫, 岡本正則, 田中学, 滝沢崇, 吉田和薫, 大石歩, 安嶋久美子, 黒田千佳, 加藤博之.
  • Organizer: 第31回日本整形外科学会基礎学術集会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場、福岡
  • Year and Date: 2016-10-13 – 2016-10-14
• [Presentation] カーボンナノチューブを用いた新しい人工関節の開発（グローカリゼーション講演） (2016)
  • Author(s): 齋藤直人.
  • Organizer: 第127回中部日本整形外科災害外科学会
  • Place of Presentation: まつもと市民芸術館他、松本
  • Year and Date: 2016-09-30 – 2016-10-01
  • Invited
• [Presentation] Peapod様カーボンナノチューブのバイオレスポンス評価. (2016)
  • Author(s): 羽二生久夫, 小林伸輔, 鶴岡秀志, 丸山佳与, 松田佳和, 青木薫, 岡本正則, 田中学, 滝沢崇, 傍島淳, 吉田和薫, 薄井雄企, 加藤博之, 齋藤直人.
  • Organizer: 第43回日本毒性学会学術年会
  • Place of Presentation: ウインクあいち、名古屋
  • Year and Date: 2016-06-29 – 2016-07-01
• [Presentation] 多層カーボンナノチューブの異なる分散条件による細胞応答性. (2016)
  • Author(s): 黒田千佳, 羽二生久夫, 傍島淳, 野村博紀, 生田太郎, 青木薫, 安嶋久美子, 岡本正則,田中学, 滝沢崇, 吉田和薫, 齋藤直人.
  • Organizer: 第43回日本毒性学会学術年会
  • Place of Presentation: ウインクあいち、名古屋
  • Year and Date: 2016-06-29 – 2016-07-01
• [Presentation] Anti-tumor effects for osteosarcoma by carbon nanotubes. (2016)
  • Author(s): Aoki K, Okamoto M, Tanaka M, Takizawa T, Yoshida K, Sobajima A, Kato H, Haniu H, Saito N.
  • Organizer: 10th World Biomaterials Congress
  • Place of Presentation: Montreal, Canada
  • Year and Date: 2016-05-17 – 2016-05-22
  • Int'l Joint Research
• [Book] カーボンナノチューブ・グラフェンの応用研究最前線－製造・分離・分散・評価から半導体デバイス・複合材料の開発、リスク管理まで (2016)
  • Author(s): 青木薫, 齋藤直人, 樽田誠一, 荻原伸英, 西村直之
  • Total Pages: 480(280-283)
  • Publisher: 株式会社エヌ・ティー・エス