Development of bioactive and custom-made PEEK implant

• Project/Area Number: 21K12682
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90120:Biomaterials-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 藤林 俊介 京都大学, 医学研究科, 特定教授 (30362502)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 積層造形 / PEEK / 生体活性 / 多孔構造 / 炭素繊維 / Bioactive / Custom-made / Surface modification / Biomaterial

Outline of Research at the Start

ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は整形外科領域で広く用いられている生体材料があるが、これは単独では生体活性を持たない。積層造形法を用いることにより患者個々の骨の形状にフィットしたカスタムメイドのインプラントを造形できるだけでなく、表面の微細な構造を制御することことができる。本研究では、生体内埋植により骨との親和性、結合性を力学的、組織学、レントゲン画像的に評価するとともに、タンパクレベルでの生体機能の観点から生体材料としての適性を評価する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は「積層造形法を用いることにより個体ごとに最適な形状、かつ生体活性を持つインプラントを作ることが可能であるかを明らかにすること」であるが、後者の「生体活性を持つインプラント」に関してはこれまでの実験を通して造形が可能であることを明らかにできた。昨年度は目標としていた500μmの多孔体構造を持つインプラントの作成に成功していたが、今年度はそのインプラントを日本白色家兎に埋入してIn vivoでの評価を行った。具体的にはマイクロCTを用いて、埋入2.4.8.12週後の多孔体構造への骨侵入を経時的に観察した。骨侵入は埋入早期（2週後）から多孔体構造内への血管新生を足掛かりとして骨侵入をはじめ、経時的に多孔体内の骨の体積だけでなく骨密度の増加がみられた。術後12週の段階ではインプラント多孔体内の荷重部位の多くの領域において骨侵入が得られることがわかった。これらの知見は、積層造形法によって作成した多孔体インプラントが生体活性を持つと言えるものである。インプラント表面の生体活性処理（我々がこれまで研究をおこなってきたアパタイト核処理）を行わずとも多孔体内への骨侵入が得られることはこれまでの文献報告とは異なるものであり、我々としても新たな発見であった。またこれらの結果は整形外科・歯科領域で多用されるものの明らかではなかった、多孔体構造への骨侵入を経時的に評価できたという学術的側面を持つと考えられる。これらについての実験は全て終了しており、次年度中の論文報告を予定している。また、このインプラントのターゲット（どの手術に用いるか）を模索し、当該年度では明らかにすることができなかった前者の「個体ごとに最適な形状」をもったインプラントの造形について研究を行っていきたいと考えている。

Research Products

• [Presentation] In vivo assessment of sulfonation followed precipitation of amorphous calcium phosphate on bone-bonding strength of carbon-fiber-reinforced PEEK (2023)
  • Author(s): Yusuke Takaoka, Shunsuke Fujibayashi, Takeshi Yabutsuka, Koji Goto, Bungo Otsuki, Toshiyuki Kawai,Takayoshi Shimizu, Yaichiro Okuzu, Shuichi Matsuda
  • Organizer: ORS 2023 Annual meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アパタイト核処理を行った炭素繊維強化PEEKの骨結合力の評価について (2022)
  • Author(s): 高岡佑輔、藤林俊介、後藤公志、大槻文悟、河井利之、清水孝彬、奥津弥一郎、池田周正、織田和樹、池崎龍仁、本田新太郎、松田秀一
  • Organizer: 第44回日本バイオマテリアル学会大会 東京
• [Presentation] アパタイト核処理により生体活性を持たせた炭素繊維強化PEEKの骨結合能について (2022)
  • Author(s): 高岡佑輔、藤林俊介、後藤公志、大槻文悟、河井利之、清水孝彬、奥津弥一郎、池田周正、織田和樹、池崎龍仁、本田新太郎、松田秀一
  • Organizer: 第37回日本整形外科学会基礎学術集会
• [Presentation] 生体活性材料上において、インプランテーション後早期に見られる骨形成の過程の評価 (2022)
  • Author(s): 高岡佑輔
  • Organizer: 第40回日本骨代謝学会学術集会