2014 Fiscal Year Research-status Report
三次元培養スキャフォルドを用いた血管新生制御による生体硬組織の再生
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26750161
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Research Institution | Meiji University |
Principal Investigator |
本田 みちよ 明治大学, 公私立大学の部局等, 研究員 (20384175)
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Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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Keywords | バイオマテリアル / スキャフォルド / 骨再生 |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究では生体硬組織の再生を実現させるために、既存材料の中では最も優れた生体活性を示す水酸アパタイト(HAp)またはベータ-リン酸三カルシウム(beta-TCP)からなる多孔質スキャフォルド(Apatite-fiber Scaffold; AFSおよびTricalcium-fiber Scaffold; TFS)を創製し、三次元的な構造を有する骨組織を構築することを目的としている。さらに、骨再生過程における血管新生制御の重要性に注目し、血管新生能を有するタンパク質を担持させたスキャフォルドを創製し、血管誘導能を有する足場材料の開発を目指している。そこで、本年度は骨再生ならびに血管侵入により最適な足場材料を作出するために、材料特性の異なる数種のスキャフォルドを作製した。具体的には、溶解性の異なるHApおよびbeta-TCPファイバーを合成し、それらと気孔形成剤であるカーボンビーズを任意の割合で混合し、成形、焼結させることにより、AFSおよびTFSを創製した。この時、カーボンビーズの添加量や粒径を変化させ、溶解性と微細構造の異なるスキャフォルドを創製した。粒径の異なるカーボンビーズを用いることで、スキャフォルド内部の気孔径、連通性の制御を可能とし、さらに力学的強度を向上させた。また、作製したスキャフォルドを用いて、生物学的評価を実施した結果、骨芽細胞を用いたin vitro試験では、細胞はいずれの材料においても良好な増殖を示し、骨分化の進行も確認された。他方、in vivo試験においても、スキャフォルド内部への骨細胞の侵入が確認され、新生骨の形成も観察された。気孔率の高いスキャフォルドは細胞の侵入性や生体内での吸収性に優れるものの、力学的強度が乏しく、ハンドリング性に問題が残る。強度と細胞侵入性、新生骨の形成のバランスから候補のスキャフォルドの絞り込みを行なう必要性がある。
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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
本年度は水酸アパタイト(HAp)またはベータ-リン酸三カルシウム(beta-TCP)からなる多孔質スキャフォルド(Apatite-fiber Scaffold; AFSおよびTricalcium-fiber Scaffold; TFS)を作製し、さらにそれらの微細構造を変化させた異なる材料形態を有する複数種のスキャフォルドを作製した。作製した多孔質スキャフォルドについては内部の微細構造や力学的強度、in vitroにおける溶解性について材料学的な観点から調査した。粒径の異なる2種類の気孔形成剤を使用したことにより、気孔率やスキャフォルド内部での連通性、さらにin vitroにおける溶解性に違いを持つスキャフォルドの創製に成功した。さらに、これまで細胞侵入性を向上させるために、高い気孔率を有するスキャフォルドの創製を試みていたが、十分な強度が得られず、荷重部位での使用は困難であったが、本研究により、高い気孔率を維持したまま、力学的強度を向上させることを可能とした。また、作製したスキャフォルドにおいて骨芽細胞様細胞を培養し、材料形態(微細構造)の違いによる細胞増殖や分化に対する影響についても調査した。いずれのスキャフォルドにおいても細胞は良好な増殖を示し、骨分化の進行も確認された。また、in vivo試験においても、スキャフォルド内部への骨細胞の侵入が確認され、新生骨の形成も観察された。骨誘導能については、用いる出発原料および気孔構造により、発現させることが可能な条件があることが見出された。しかしながら、現行の気孔率の高いスキャフォルドは細胞の侵入性や生体内での吸収性に優れるものの、力学的強度が乏しく、ハンドリング性に問題が残る。強度と細胞侵入性、新生骨の形成のバランスから候補のスキャフォルドの絞り込みを行なう必要性がある。
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Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は前年度に作製した骨形成に最適なスキャフォルドの構造が3次元的な組織を形成するために重要な血管の侵入に適しているかを評価する。また、新たに、血管の侵入を促進させるために、血管新生因子を担持させたスキャフォルドの創製を試みる。血管新生因子に関しては、血管内皮細胞に対し、血管新生能を高める至適濃度を検証した後にスキャフォルドへ担持させる量を決定する。この時、スキャフォルドへの血管新生因子の吸着およびリリースに関する特性についても評価する。作製したスキャフォルドの血管新生能については、主にin vitro試験で評価する。なお、評価には血管内皮細胞を単独で培養を行なう場合とは血管内皮細胞と骨芽細胞を共培養する場合の方法を計画している。さらに、優れた血管新生能を有するスキャフォルドの選定を終えた後に、実験動物を用いて、組織学的な評価を実施する。なお、今後のin vivo評価に関しては、ウサギ脛骨へのインプラント実験のみを実施する計画である。 最終的には、最も高い骨誘導能および最も高い血管新生能を示したスキャフォルドを選択し、両者の特徴を併せ持つスキャフォルドの構造を決定し、作製したスキャフォルドにおいて、骨芽細胞と血管内皮細胞を培養することで、骨再生と血管新生との関係を明らかにし、三次元的な構造を有する骨組織を再生する技術を構築する。
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Causes of Carryover |
今年度は蛍光プレートリーダーを購入する予定であったが、予算の関係上、機器の購入を中止した。そのため、研究推進に必要な消耗品の購入に物品費を充てた。 次年度には細胞培養試験に必要な高額な消耗品を購入予定であるため、次年度へ繰越をした。
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Expenditure Plan for Carryover Budget |
細胞培養試験に必要な高額な消耗品(CCN2_CTGF Elisa Kitなど)を購入する予定である。
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Research Products
(3 results)