非酸化物セラミックにおける骨伝導性および骨誘導性に関する研究

• 研究課題/領域番号: 17K01389
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生体医工学・生体材料学
• 研究機関: 京都工芸繊維大学
• 研究代表者: PEZZOTTI G. 京都工芸繊維大学, 材料化学系, 教授 (70262962)
• 研究分担者: 松田 修 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (00271164) ; 山本 俊郎 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 講師 (40347472) ; 足立 哲也 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (10613573)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2017年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 窒化ケイ素 / 人工関節 / 骨伝導 / 骨誘導 / 間葉系幹細胞 / 骨芽細胞 / Slicon nitride / ラマン分光法 / 非酸化物セラミック / バイオセラミックス / 生体医工学 / 生体材料

研究成果の概要

有病者や高齢者に対し、人工関節置換術を確実に行うには、高い骨伝導性と抗菌性を有するインプラント材料を使用することが望ましい。しかし、既存のインプラント材料はこれらの要件を十分に満たしているとは言い難い。我々は、優れた機械的性質と生体親和性を有する非酸化物セラミック窒化ケイ素が、表皮ブドウ球菌や歯周病菌に対し抗菌性を有することを報告した。これまで窒化ケイ素が骨伝導や骨誘導に与える影響についての基礎的な研究は、あまり行われてこなかった。以上のことを踏まえ、本研究は、窒化ケイ素が骨芽細胞や間葉系幹細胞に効率的に与える影響を明らかにし、窒化ケイ素が次世代の人工関節デバイスになり得るか検討する。

研究成果の学術的意義や社会的意義

窒化ケイ素は優れた骨伝導性と骨誘導性を有することから、基礎疾患を有する高齢者においても、迅速で強固な骨結合を獲得することが期待できる。窒化ケイ素は超高齢社会において次世代のインプラント材料として有望である。

研究成果

• [国際共同研究] ミズーリ大学(米国)
• [国際共同研究] トリノ工科大学(イタリア)
• [国際共同研究] University of Missouri(米国)
• [雑誌論文] In situ molecular vibration insights into the antibacterial behavior of silicon nitride bioceramic versus gram-negative Escherichia coli (2019)
  • 著者名/発表者名: Boschetto Francesco、Adachi Tetsuya、Horiguchi Satoshi、Marin Elia、Paccotti Niccol?、Asai Tenma、Zhu Wenliang、McEntire Bryan J.、Yamamoto Toshiro、Kanamura Narisato、Mazda Osam、Ohgitani Eriko、Pezzotti Giuseppe
  • 雑誌名: Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 巻: 223 ページ: 117299-117299
  • DOI: 10.1016/j.saa.2019.117299
• [雑誌論文] Off-Stoichiometric Reactions at the Cell?Substrate Biomolecular Interface of Biomaterials: In Situ and Ex Situ Monitoring of Cell Proliferation, Differentiation, and Bone Tissue Formation (2019)
  • 著者名/発表者名: Pezzotti Giuseppe、Adachi Tetsuya、Boschetto Francesco、Zhu Wenliang、Zanocco Matteo、Marin Elia、Bal B. Sonny、McEntire Bryan J.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 20 号: 17 ページ: 4080-4080
  • DOI: 10.3390/ijms20174080
• [雑誌論文] Osteogenic Enhancement of Zirconia-Toughened Alumina with Silicon Nitride and Bioglass? (2019)
  • 著者名/発表者名: Pezzotti、Marin、Zanocco、Boschetto、Zhu、McEntire、Bal、Adachi、Yamamoto、Mazda
  • 雑誌名: Ceramics 巻: 2 号: 4 ページ: 554-567
  • DOI: 10.3390/ceramics2040043
• [雑誌論文] Monitoring metabolic reactions in Staphylococcus epidermidis exposed to silicon nitride using in situ time-lapse Raman spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Boschetto Francesco、Adachi Tetsuya、Horiguchi Satoshi、Fainozzi Danny
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Optics 巻: 23 号: 05 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1117/1.jbo.23.5.056002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In vitro antibacterial activity of oxide and non-oxide bioceramics for arthroplastic devices: I. In situ time-lapse Raman spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Pezzotti Giuseppe、Bock Ryan M.、McEntire Bryan J.、Adachi Tetsuya、Marin Elia、Boschetto Francesco、Zhu Wenliang、Mazda Osam、Bal Sonny B.
  • 雑誌名: The Analyst 巻: 143 号: 15 ページ: 3708-3721
  • DOI: 10.1039/c8an00233a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In vitro antibacterial activity of oxide and non-oxide bioceramics for arthroplastic devices: II. Fourier transform infrared spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Boschetto Francesco、Toyama Nami、Horiguchi Satoshi、Bock Ryan M.、McEntire Bryan J.、Adachi Tetsuya、Marin Elia、Zhu Wenliang、Mazda Osam、Bal B. Sonny、Pezzotti Giuseppe
  • 雑誌名: The Analyst 巻: 143 号: 9 ページ: 2128-2140
  • DOI: 10.1039/c8an00234g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Incorporating Si3N4 into PEEK to Produce Antibacterial, Osteocondutive, and Radiolucent Spinal Implants (2018)
  • 著者名/発表者名: Pezzotti Giuseppe、Marin Elia、Adachi Tetsuya、Lerussi Federica、Rondinella Alfredo、Boschetto Francesco、Zhu Wenliang、Kitajima Takashi、Inada Kosuke、McEntire Bryan J.、Bock Ryan M.、Bal B. Sonny、Mazda Osam
  • 雑誌名: Macromolecular Bioscience 巻: 18 号: 6 ページ: 1800033-1800033
  • DOI: 10.1002/mabi.201800033
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Label-Free SERS Discrimination and In Situ Analysis of Life Cycle in Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis (2018)
  • 著者名/発表者名: Paccotti Niccolo、Boschetto Francesco、Horiguchi Satoshi、Marin Elia、Chiado Alessandro、Novara Chiara、Geobaldo Francesco、Giorgis Fabrizio、Pezzotti Giuseppe
  • 雑誌名: Biosensors 巻: 8 号: 4 ページ: 131-131
  • DOI: 10.3390/bios8040131
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Degradation phenomena occurring in the conical taper of a short-term retrieved ZTA femoral head: A case study (2018)
  • 著者名/発表者名: Rondinella A.、Marin E.、Boschetto F.、Zanocco M.、Zhu W.、Affatato S.、Yamamoto K.、Tateiwa T.、Pezzotti G.
  • 雑誌名: Materials & Design 巻: 157 ページ: 362-370
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2018.07.056
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biological response of human osteosarcoma cells to Si3N4-doped Bioglasses (2018)
  • 著者名/発表者名: Marin Elia、Adachi Tetsuya、Boschetto Francesco、Zanocco Matteo、Rondinella Alfredo、Zhu Wenliang、Bock Ryan、McEntire Bryan、Bal Sonny B.、Pezzotti Giuseppe
  • 雑誌名: Materials & Design 巻: 159 ページ: 79-89
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2018.08.020
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bioceramics are not bioinert (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Pezzotti
  • 雑誌名: Material Today 巻: 20 号: 8 ページ: 395-98
  • DOI: 10.1016/j.mattod.2017.06.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Assessment of the Inherent Antimicrobial Resistance of Biomaterials Utilized in Spinal Fusion Surgery (2017)
  • 著者名/発表者名: C. A. Kuhns, B. J. McEntire, R. M. Bock, G. Pezzotti, B. Bal
  • 雑誌名: The Spine Journal 巻: 17 号: 10 ページ: 168-169
  • DOI: 10.1016/j.spinee.2017.07.249
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Bioactivity and Bacteriostasis of PEEK Polymers Through Incorporation of Silicon Nitride Particles (2017)
  • 著者名/発表者名: C. A. Kuhns, R. M. Bock, B. J. McEntire, B. Bal, G.Pezzotti
  • 雑誌名: The Spine Journal 巻: 17 号: 10 ページ: 169-169
  • DOI: 10.1016/j.spinee.2017.07.250
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Human osteoblasts grow transitional Si/N apatite in quickly osteointegrated Si3N4 cervical insert (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Pezzotti, N. Oba, W. Zhu, E. Marin, A. Rondinella, F. Boschetto, B. McEntire, K. Yamamoto, B. S. Bal
  • 雑誌名: Acta Biomaterialia 巻: 64 ページ: 411-20
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2017.09.038
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Silicon nitride surface chemistry: A potent regulator of mesenchymal progenitor cell activity in bone formation (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Pezzotti, R. M. Bock, T. Adachi, A. Rondinella, F. Boschetto, W. Zhu, E. Marin, B. McEntire, B. S. Bal, O. Mazda
  • 雑誌名: Applied Materials Today 巻: 9 ページ: 82-95
  • DOI: 10.1016/j.apmt.2017.05.005
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] バイオセラミックスにおける抗菌性について (2019)
  • 著者名/発表者名: Giuseppe Pezzotti
  • 学会等名: 第49回日本人工関節学会
  • 招待講演
• [学会発表] The Antimicrobial Resistance of Oxide and Non-Oxide Ceramics (2018)
  • 著者名/発表者名: B. J. McEntire, G. Pezzotti, R. Bock, T. Adachi, E. Marin, F. Boschetto, W. Zhu, B. S. Bal
  • 学会等名: Orthopedic Research Society 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Improved Bioactivity and Bacteriostasis of PEEK Polymers by Addition of Silicon Nitride Particles (2018)
  • 著者名/発表者名: B. J. McEntire, G. Pezzotti, W. Zhu, E. Marin, A. Rondinella, F. Boschetto, R. M. Bock, B. S. Bal
  • 学会等名: Orthopedic Research Society 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Upregulation of Osteoblastic Activity by Si-Y-N-O Phase Chemistry (2018)
  • 著者名/発表者名: G. Pezzotti, D. A. Cullen, R. M. Bock, W. Zhu, E. Marin, B. J. McEntire, K. L. More, Donovan N. Leonard, B. S. Bal
  • 学会等名: Orthopedic Research Society 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Osteoinductive potential of silicon nitride ceramics versus mesenchymal stem cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Adachi ,T Horiguchi S, Rondinella A, Boschetto Adachi ,T Horiguchi S, Rondinella A, Boschetto F, Marin E, Yamamoto T, McEntire BJ , Mazda O, Kanamura N, Pezzotti G.F, Marin E, Yamamoto T, McEntire BJ , Mazda O, Kanamura N, Pezzotti G.
  • 学会等名: AADR/CADR Annual Meeting & Exhibition 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 骨伝導能を有する窒化ケイ素セラミックスの歯科インプラントへの応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 堀口智史, 足立哲也, 山本俊郎, Giuseppe Pezzotti , 松田修, 金村成智
  • 学会等名: 日本歯周病学会60周年記念京都大会
• [学会発表] 骨誘導と抗菌性を併せ持つ新規インプラント材料の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 堀口智史, 足立哲也, 山本俊郎, Giuseppe Pezzotti , 松田修, 金村成智
  • 学会等名: 平成29年度４大学連携研究フォーラム