2014 Fiscal Year Annual Research Report
生体吸収性Mg合金の生物学的安全性評価手法の提案および生体内分解量推定法の開発
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26282151
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
山本 玲子 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (20343882)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 良央 東北大学, 歯学研究科(研究院), 助教 (30302152)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 生体材料 / 医療・福祉 / レギュラトリーサイエンス / 動物実験代替法 / 特殊環境 / 国際情報交換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Mg合金は、生体吸収性金属材料としての医療応用が広く期待されている。その実用化に際しては、生物学的安全性などのリスクを適切に評価する必要がある。しかしながら、従来の医用材料のリスク評価法（例えばISO10993）は既存の生分解性高分子・セラミックス材料や高耐食性金属材料を対象にしており、Mg合金への適用は不適切なため、新たな評価法の確立が求められる。本研究では、Mg合金の生物学的安全性リスク評価手法の確立を目指し分解特性評価を実施、リスク評価のための基本的な考え方を明示する。
本年度は人工血漿および血清添加細胞培養液を用い、試料表面積に対する溶液量を変えて浸漬試験を実施した。その結果、いずれの溶液についても表面積当たりの溶液量が大きくなると総溶出量が増加する傾向にあるが、溶出Mg2+イオン濃度は、最も表面積当たりの溶液量が少ない0.17mL/cm2ではなく、0.33mL/cm2において最大になった。浸漬試験終了後のpHについても、表面積当たりの溶液量が小さいこの両条件において、著しい上昇が認められた。
ISO10993では、適用する医療デバイスの形状により抽出試験に用いる溶液量を定められており、厚さ1mm以下の場合は、このいずれかの条件で抽出液を作製しなければならない。しかし、生体内では毛細血管網により体液・組織液中の拡散速度は高く、表面積当たりの溶液量が大きい場合と同様に、顕著なpH上昇が生じがたい。よって、ISO10993で定める条件は生体内の環境とはかけ離れた状態であり、そのような環境で生成した溶出物を用いて実施した生物学的安全性試験結果の解釈には注意が必要である。
さらに、本年度は生体内におけるMg合金の簡便な分解量推定法として、電気化学測定の適用を検討した。試作セルを用いて生体内と同様の高炭酸ガス・低酸素環境下および細胞培養下での測定に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
従来の医用材料のリスク評価法であるISO10993における生物学的安全性試験実施のための抽出液作製条件を参考に、無機塩のみの溶液である人工血漿および有機物を含む血清添加細胞培養液を用いてin vitro浸漬試験を実施し、試料単位表面積当たりの抽出液の量が、合金の分解挙動に大きく影響をすることを明らかにした。このような基礎的なデータの報告はこれまでなく、現存するガイドラインの問題点を具体的に明らかにした点は重要である。
また、生体内におけるMg合金の分解特性をin vitroにおいて簡便に推定する手法の開発は、Mg合金の医療応用の促進のために強く求められている。電気化学測定は測定時間が短く、かつ簡便にデータを取得することが可能であり、金属材料の耐食性評価法として広く普及している。Mg合金の生体内環境下における分解量推定への適用を検討するために、生体内に近い環境下での電気化学測定手法を確立したことにより、今後、詳細な検討を進めることが可能であり、順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
人工血漿あるいは細胞培養液を用い、試料表面積に対する溶液量を変化させて浸漬試験を実施し、浸漬時間に伴う分解速度の変化を確認する。これまでの研究から、Mg合金の分解は、無機塩のみの溶液である人工血漿中と血清タンパク質等の有機物を含む細胞培養液中では異なることが判明しているが、生体内における医療デバイスの長期使用状況を念頭に、用いる疑似体液の長期的な影響をin vitro浸漬試験において、検証する。得られたデータを、in vitroにおける分解量推定モデルの構築に資する。
また、in vitroの浸漬試験結果と、in vivoの埋植結果を比較し、相関性やin vitro浸漬試験条件の設定によりin vivoにおける分解量が推定可能かどうか、検証する。これまでの研究から、細胞培養液中のin vitro浸漬試験結果と軟組織中への埋植試験結果にはある程度の相関が認められているが、分解量の推定を実施するためにはin vitro試験条件とin vivoの結果の間に科学的・合理的な論拠が必要である。In vitroにおける試料表面積に対する溶液量設定など、両者を結び付けるための考え方を提案する。
さらに、電気化学測定により、生体内の高炭酸ガス濃度・低酸素濃度が分解特性に及ぼす影響について、検証する。既に、in vitro浸漬試験により、高炭酸ガス濃度は体液および試験に用いる疑似体液の緩衝能にとって重要であり、pH変化を通して分解特性に影響することは判明しているが、電気化学測定において、さらに詳細に検討する。
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| Causes of Carryover |
年度当初、マイクロX線CTの管球の使用時間が寿命の目安（2000時間）に達することが予想されたため、その交換費用として約180万円を予定した。しかし、年度末の時点で使用時間は目安を越えているものの、まだ使用可能であるため交換を実施しなかった（その他の残額が少ないのは、他の予定外の機器修理等が発生したため）。
本年度参加を予定していた国際会議には他用のため出席できなくなり、来年度開催される別の会議への参加に変更したため、旅費約40万円が未使用となった。
電気化学測定データ解析のためのソフトウェア購入を予定していたが、フリーウェアにて解析可能であることが判明したため、購入をとりやめた（約20万円）。さらに、電気化学測定セルの試作について、試行錯誤を重ねたため年度末までに試作品しか作製できず、今後の実験に必要な数を揃えることができなかった。関連器具を含めて購入を次年度に回す（約40万円）。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
マイクロX線CTの管球が使用不可に至った際の交換費用約180万円を予定。
国際会議参加費用（約40万円）、電気化学測定セル（特注）および関連用品（約40万円）、およびデータ解析のための人件費（約20万円）を予定。
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