| 研究課題/領域番号 |
19J21315
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
山田 翔太 長岡技術科学大学, 大学院工学研究科 博士後期課程 エネルギー・環境工学専攻, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| キーワード | 水酸アパタイト / メソポーラスシリカ / ナノ粒子 / バイオマテリアル / 骨補填材料 / 水和層構造 / ポリエチレングリコール / 水晶振動子 |
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| 研究実績の概要 |
前年度までにメソ多孔質シリカ (MPS)／水酸アパタイト (HAp) 複合ナノ結晶合成時の両親媒性ブロック共重合体の添加量により，結晶表面の水和水のO－H伸縮振動の対称性が変化することが確認された。そこで本年度は，ホスホン酸を含有したMPS (PMPS) 膜を合成した結果，同様に水和水のO－H伸縮振動の対称性が変化した。これは，PMPS膜表面にはMPSに起因する官能基と，ホスホン酸に起因する官能基が共存しているため，膜表面と水和水の間で生じる水素結合と，その水素結合により生じる水素結合ネットワークが不規則化した為だと考えられる。
これらの結果を踏まえ，結晶表面の水和状態とタンパク質吸着状態をより効率的に制御するために，ケイ酸を含有したHAp (SiHAp) 粒子を創製し，粒子表面へのポリエチレングリコールの固定を行った。その後，水和水の状態とコラーゲン (Col) の吸着状態について評価した。SiHAp粒子表面の水和状態をHAp粒子と比較すると，ケイ酸の含有により，Colと粒子の接触を防ぐ中間水成分の割合の増加が観測された。走査電子顕微鏡 (SEM) により，SiHAp粒子表面に吸着したColは繊維化の促進が確認され，水晶振動子マイクロバランス測定装置 (QCM-D) を用い，吸着したColの粘弾性物性を測定・解析したところ，SiHAp粒子表面に吸着したColはHAp粒子表面に吸着したColと比較して，立体的な吸着構造を取っていることが示唆された。次に，Col吸着前のSiHAp粒子にポリエチレングリコールの固定を行った結果，固定前の粒子と比較して中間水成分の割合の減少が観測された。そして，SEMとQCM-Dの結果から，ポリエチレングリコールを固定したSiHAp粒子表面に吸着したColは，より繊維化が促進されていることが確認された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本年度は，ホスホン酸を含有したメソポーラスシリカ (PMPS) 膜のリン含有量と，膜表面の水和水のO－H伸縮振動の成分割合の関係性を見出した。具体的に，Pの含有量が増加するにつれて，水和水のO－H伸縮振動の対称性が低下していく傾向が見られた。これは，PMPS膜と水和水の間で生じる水素結合と，その水素結合により生じる水素結合ネットワークが不規則化することが原因であると結論付けた。さらに，ケイ酸を含有した水酸アパタイト (SiHAp) 粒子を創製し，粒子表面にポリエチレングリコールの固定を行い，水和状態とコラーゲン (Col) の吸着状態を評価した。その結果，ケイ酸の含有によりColと粒子の接触を防ぐ中間水成分の割合が増加していることと，Colの立体的な繊維化が確認された。さらに，ポリエチレングリコールの固定により中間水成分の割合が減少し、Colの繊維化が促進されることを見出した。生体内の骨組織や細胞外マトリックスに存在しているColは繊維化した構造を取っているため，ポリエチレングリコールを固定したSiHAp粒子は骨組織の補填と再生に有用な材料であるという知見を得た。
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| 今後の研究の推進方策 |
生体内での補填能と活性化能の実証：2年目において創製したナノ結晶ペーストを用いて，徐放された成長因子が細胞内へ取込させて活性化す る挙動を評価し，補填能に加えて細胞活性化能を実証する。先ず，2種類の骨細胞 (骨芽細胞様細胞 (MC3T3-E1)，ヒト骨肉腫細胞 (MG63)) を用い，濃度の異なるナノ結晶の培地分散液を添加し，分裂・増殖挙動を計測し，細胞毒性を評価する。次いで，細胞の集合体「モデル骨組織」 へナノ結晶ペーストの培地分散液を添加して，細胞接着密度と成長因子の結合・取込挙動を解明する。以上により，本研究のナノ結晶の細胞との反応挙動を解明し，最適化する。更に，骨欠損 (欠損域直径が2 mm以下) を持つマウス検体に対し，ナノ結晶ペーストを補填し，生きている状態でのリアルタイムな超早期骨再生を実証する。つまり，周囲の骨組織に対して細胞レベルで再生を促す原理を示す。次いで，骨腫瘍に対しては，メゾ細孔へ予め抗がん剤を担持し，周囲組織の悪性腫瘍へ障害性を誘起・死滅する原理を確認する。つまり，補填と同時に周囲の微小癌 を治療する技術をも実現する。 以上により，骨欠損部内への補填・硬化を誘起し，組織液との反応によって材料の溶出が生じて成長因子が周囲組織へ放出されて骨芽細胞を活性化し（若しくは，がん細胞を死滅させ），補填剤の接合だけでなく骨組織への置換が促進され，骨組織が再生される技術である。つまり，骨の補填と再生・治療が両立するため，現行の骨補填材料に対して広く治療用材料として実用でき，健康寿命の根本を支える筋骨格の維持へ貢献する。
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