2015 Fiscal Year Research-status Report
高強度ハイドロゲル中でのリン酸カルシウムのバイオミネラリゼーション
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26820300
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
野々山 貴行 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 特任助教 (50709251)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 骨接着 / タフハイドロゲル / ハイドロキシアパタイト / 有機・無機複合材料 / バイオミネラリゼーション / ソフトセラミックス / 人工軟骨 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当研究室で開発された高強度ハイドロゲル「ダブルネットワーク(DN)ゲル」は、天然の軟骨組織に匹敵する力学物性を示し、さらに生体内において、DNゲル上で軟骨の再生が世界で初めて認められ、次世代人工軟骨及び軟骨再生足場材料としての応用が期待されている。本材料の長期間埋入において、水様性表面を有するハイドロゲルを接着・固定することは極めて困難であり、この「ゲルの接着技術」は本研究のみならずゲルサイエンスにおいて解決すべき重要な課題の一つである。骨と直接結合している軟骨、靭帯、腱等の結合組織から着想を得て、本研究では生体内で骨と直接強固に結合するDNハイドロゲルの創製を目的としている。平成26年度は、骨の無機主成分であり骨と直接結合する性質(骨伝導性)を示すハイドロキシアパタイト(HAp)をDNゲル表面に複合化し、HAp/DNゲルの力学物性や表面の化学的性質を評価した。それらの結果より、本材料は骨伝導性を有すると示唆されたため、平成27年度では、ウサギの大腿骨骨頭部にHAp/DNゲル及び比較としてのDNゲルをそれぞれ埋植して生体内における骨接着性を力学試験によって評価した。埋植1週では、どちらにおいても接着は認められなかったが、4週では、HAp/DNゲルは母材の強度を超える高い接着強度を示した。これはハイドロゲルの接着においては世界最高強度を達成している。透過型電子顕微鏡を用いて、この高強度接着に起因する詳細な構造を観察したところ、HAp/DNゲル内部に骨形成が侵入し、ゲルと骨間に明確な境界のない「傾斜構造」を形成していることが示された。この骨形成侵入は、ゲルの半透過性によって達成された、これまでのバルク材料の接着とは異なる新しい融合型の接着形態であり、ゲルの医療材料への応用研究を加速させる重要な技術と言える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は、「in vivoにおいて実用に耐えうる無毒で高強度なゲルの接着技術の確立」が最終目的である。HApは骨の無機主成分であり無毒であり、接着強度は母材であるDNゲルの強度を超えている。平成27年度に得られたこれらの成果は、残り一年を残して本研究の最終目的に到達しており、当初の計画以上に進展していると言える。また本成果は、材料分野において権威あるAdvanced Materials (IF=17.5)にアクセプトされ、高く評価されている。今後は、高強度接着の形成メカニズムの解明と電子顕微鏡を用いたより詳細な構造の観察を行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでのin vivoにおける骨組織とHAp/DNゲルの接着は、埋植1週と4週のみを評価した。4週におけるゲル内部への骨形成は、境界がわからなくなるほど十分に侵入していた。より詳細な骨形成侵入を観察するために、今後は埋植2週及び3週の観察を行い、経時変化を追う。またHApコーティング層の厚さ依存や、最表面のHApを取り除き内部のHApの遠隔作用を評価する。これまでの成果と合わせて、ゲルのvivoにおける無毒な高強度接着技術の総括を行う。
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| Causes of Carryover |
共用装置の使用時間が想定よりも少なく済んだため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
現在主に取り組んでいる共用装置TEMを用いた解析及び成果発表のための旅費として使用する予定である。
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[Journal Article] Double network hydrogels strongly bondable to bones by spontaneous osteogenesis penetration2016
Author(s)
Takayuki Nonoyama, Susumu Wada, Ryuji Kiyama, Nobuto Kitamura, Md. Tariful Islam Mredha, Xi Zhang, Takayuki Kurokawa, Tasuku Nakajima, Yasuaki Takagi, Kazunori Yasuda, Jian Ping Gong
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Journal Title
Advanced Materials
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] 微粒子ゲルの摩擦低減効果2016
Author(s)
福田泰記、黒川孝幸、中島祐、野々山貴行、グン剣萍
Organizer
第27回高分子ゲル研究討論会
Place of Presentation
東京大学(東京都文京区)
Year and Date
2016-01-18 – 2016-01-19
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[Presentation] A Novel Double-Network Hydrogel Directly Bondable to the Bone and Its Application to Fixation of Artificial Cartilage and Ligament2015
Author(s)
Takayuki Nonoyama, Susumu Wada, Ryuji Kiyama, Nobuto Kitamura, Md. Tariful Islam Mredha, Xi Zhang, Takayuki Kurokawa, Tasuku Nakajima, Yasuaki Takagi, Kazunori Yasuda, Jian Ping Gong
Organizer
Pacifichem2015
Place of Presentation
Hawaii (USA)
Year and Date
2015-12-15 – 2015-12-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] Self- Adjustable Adhesion of Polyampholyte Hydrogels2015
Author(s)
Chanchal Kumar ROY, Hong Lei GUO, Tao Lin SUN, Abu Bin IHSAN, Takayuki NONOYAMA, Tasuku NAKAJIMA, Takayuki KUROKAWA, Jian Ping GONG
Organizer
Engineering Neo-Biomimetics VI
Place of Presentation
Shimadzu Corporation(京都府京都市)
Year and Date
2015-10-22 – 2015-10-22
Int'l Joint Research
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[Presentation] Tough physical double network hydrogels based on amphiphilic tri-block copolymer2015
Author(s)
Huijie Zhang, Tao Lin Sun, Yumihiko Ikura, Aokai Zhang, Xufeng Li, Tasuku Nakajima, Takayuki Nonoyama, Takayuki Kurokawa, Osamu Ito, Hiroyuki Ishitobi, Jian Ping Gong
Organizer
ゲルワークショップイン仙台
Place of Presentation
La楽リゾートホテル グリーン(宮城県仙台市)
Year and Date
2015-09-17 – 2015-09-18
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[Presentation] Polyampholyte hydrogels as wet adhesive2015
Author(s)
Chanchal Kumar Roy, Hong Lei Guo, Abu Bin Ihsan, Tao Lin Sun, Takayuki Nonoyama, Tasuku Nakajima, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong
Organizer
ゲルワークショップイン仙台
Place of Presentation
La楽リゾートホテル グリーン(宮城県仙台市)
Year and Date
2015-09-17 – 2015-09-18
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[Presentation] Tough physical double network hydrogels based on amphiphilic tri-block copolymer2015
Author(s)
Huijie Zhang, Tao Lin Sun, Yumihiko Ikura, Aokai Zhang, Xufeng Li, Tasuku Nakajima, Takayuki Nonoyama, Takayuki Kurokawa, Osamu Ito, Hiroyuki Ishitobi, Jian Ping Gong
Organizer
第64回高分子討論会
Place of Presentation
東北大学(宮城県仙台市)
Year and Date
2015-09-15 – 2015-09-17
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[Presentation] Fabrication of Tough Hydrogel Fiber2015
Author(s)
Masanori Okada, Ken-ichi Hoshino, Tao Lin Sun, Takayuki Kurokawa, Tasuku Nakajima, Takayuki Nonoyama, Jian Ping Gong
Organizer
Japan-Taiwan Bilateral Polymer Symposium
Place of Presentation
Hokkaido University(北海道札幌市)
Year and Date
2015-09-03 – 2015-09-03
Int'l Joint Research
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