抗菌作用を発揮しながら生体内で吸収・骨置換される炭酸アパタイトセメントの創製

• 研究課題/領域番号: 23K24536
• 補助金の研究課題番号: 22H03278 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分57040:口腔再生医学および歯科医用工学関連
• 研究機関: 福岡歯科大学
• 研究代表者: 都留 寛治 福岡歯科大学, 口腔歯学部, 教授 (50314654)
• 研究分担者: 南澤 宏瑚 福岡歯科大学, 口腔歯学部, 助教 (20897508) ; 梶本 昇 福岡歯科大学, 口腔歯学部, 講師 (30824213) ; 丸田 道人 福岡歯科大学, 口腔歯学部, 准教授 (40507802) ; 佐藤 平 福岡歯科大学, 口腔歯学部, 講師 (80866715)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2024年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2023年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2022年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
• キーワード: リン酸カルシウムセメント / 炭酸アパタイト / 生体吸収性 / 抗菌作用

研究開始時の研究の概要

骨欠損部に充填すると速やかに硬化し、抗菌作用を発揮しながら生体内で吸収・骨置換される炭酸アパタイトセメントの創製を本研究の目的とする。目的を達成するために、①骨吸収性を高める炭酸イオンの含有量制御；②抗菌性を発現する金属イオン等の徐放性制御；③臨床使用に耐えうる力学的特性の付与を試みる。In vitro評価で、破骨細胞性吸収作用、抗菌作用および力学的特性の最適化を図り、ラットの骨欠損モデルにより骨置換性を評価する。これら一連の研究を通じて、炭酸イオンが破骨細胞性吸収を高め、生体内吸収性および骨置換性を亢進すること、抗菌性金属イオンの徐放制御によって抗菌性が発現することを学術的に明らかにする。

研究実績の概要

本研究は、骨欠損部に充填すると速やかに硬化し、抗菌作用を発揮しながら生体内で吸収・骨置換される炭酸アパタイトセメントの創製を目的としている。令和4年度は以下の研究実績が得られた。
①炭酸イオン含有量制御と構造評価：炭酸アパタイトセメントの原料粉末であるバテライト、リン酸一水素カルシウム（DCPA）およびリン酸四カルシウム（TTCP）の配合比を変化させることによってセメント硬化体の炭酸含有量が制御できることが分かった。練和液として用いるリン酸ナトリウム水溶液の濃度が炭酸含有量に有効に作用することが一連の実験を通じて明らかになった。
②抗菌性イオンの導入と構造評価：抗菌薬であるゲンタマイシンをセメントに導入し、セメントの基礎物性に影響しないゲンタマイシン濃度を明らかにした。ゲンタマイシンを含むセメント硬化体は抗菌性を示したことから、セメントに導入されたゲンタマイシンは抗菌性を維持できることが分かった。
③力学的特性の改善：セメント硬化体の強さを高めるのに有効なハイドロキシアパタイト-コラーゲン複合体（HAp/Col）の添加濃度が存在することが分かった。HAp/Colの添加はセメント硬化体の炭酸アパタイトへの相変換速度を高める効果があった。原料粉末の親水化はセメント硬化体の強さを高める効果があった。粉末の親水化法について検討したところ、オゾン処理は紫外線処理より効率的で有効であることが分かった。0.5％アルギン酸ナトリウムの添加は炭酸アパタイトへの相変換を妨げず、非崩壊性を著しく向上させることが分かった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

セメントに抗菌性を付与する方法として、抗菌性を示す金属イオンをセメントに導入することを計画していたが、セメント内部への金属イオンの分散性を評価するために購入を計画していた装置（EDX：元素分析装置）の導入が世界的な半導体不足の影響で遅れたため、次年度に実施するように計画を変更した。その関係で、本年度は急遽、抗菌剤であるゲンタマイシンを炭酸アパタイトセメントに導入する検討を行った。現在までに良好な成果が挙げられており、本科研により得られた成果として近く学会等で報告する予定である。それ以外の項目については計画通り進んでいる。

今後の研究の推進方策

①炭酸含有量の制御と骨吸収性のin vitro評価：炭酸含有量についてはFT-IRを使った間接的な定量評価しか行えていないため、CHN法による厳密な定量を行った上で議論を進める。破骨細胞による吸収活性の評価に先立って、ハウシップ窩のpHを模倣した酢酸バッファーによる溶解性試験を行うことで、細胞試験に用いる試料のスクリーニングを行う。
②抗菌性金属イオンの導入と抗菌性のin vitro評価；セメント硬化体への銀イオンや亜鉛イオンの導入を試みる。X線回折法により構造内に取り込まれているかを調べる。電子顕微鏡付属の元素分析装置および高周波誘導結合プラズマ発光分光装置等を用いて金属イオンの分散性や定量評価を行う。阻止円法など抗菌性のin vitro試験を行い、セメントへの金属イオン導入の有効性を明らかにする。
③力学的特性の改善：前年度に引き続き、HAp/Colの導入、粉末の親水化、超音波の効果、バテライト/TTCP配合比による力学的特性の変化を調べる。
④生体内吸収性および骨置換性評価：ラットの背部皮下埋入試験のプロトコールを動物実験委員会に提出し、許可が得られ次第、埋入されたセメントの生体内安定性や炭酸アパタイトへの相変換挙動を調査する。本年度までに得られた成果に基づいて、次年度に実施する骨置換性評価のプロトコールを作成する。