炭酸アパタイトハニカムの微細構造制御による骨誘導能付与と骨再建

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K22970
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 林 幸壱朗 九州大学, 歯学研究院, 准教授 (80580886)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• キーワード: スキャフォールド / ハニカム / 組織再生 / 骨誘導

研究実績の概要

骨外における骨形成能（骨誘導能）は大規模骨欠損の再建に有効であると考えられている。しかし、骨誘導メカニズムは未だ解明されていない。骨誘導メカニズムの解明に向けて、骨誘導を確実に引き起こす材料の開発と、その材料を筋肉内にインプラントした際に生じる細胞・組織応答の病理組織学的解析による解明に取り組んできた。本年度はn数を増やし、より信頼性のあるデータを得ることを試みた。ウサギ筋肉内にハニカム人工骨を埋植後、1、2、3、4、8、12週後に摘出し、細胞・組織応答の経時変化を解明した。組織切片のヘマトキシリン-エオシン（HE）、酒石酸耐性酸性フォスファターゼ（TRAP）、オステオカルシン（OC）、抗ラビットマクロファージ抗体（RAM-11）、マッソントリクローム（MT）、ヴィラヌエバ・ゴールドナー（VG）染色を行い、フィブリン、血管、破骨細胞、骨芽細胞、マクロファージ、コラーゲン、成熟骨、類骨等の変化から骨誘導メカニズムを組織学的に解明した。埋植後2週目まではフィブリンの濃縮が進行した。3週時点で劇的な組織学的変化がみられ、コラーゲンの生成、TRAP-positive細胞及びRAM-11-positive細胞の大量出現、材料を貫通する血管の形成が確認された。４週時点では、TRAP-positive細胞及びRAM-11-positive細胞の急激な減少、OC-positive細胞の出現、コラーゲンの増加が確認された。８週時点では、TRAP-positive細胞及びRAM-11-positive細胞のさらなる減少とOC-positive細胞の増加が確認された。12週目にハニカム内に石灰化骨の形成が確認された。また、これまでの報告では、材料内部から骨形成が進行するとの報告があるが、ハニカム人工骨の場合は、材料の端から内部に向かって細胞・組織応答が進行していることが確認された。

研究成果

• [雑誌論文] Antibacterial Honeycomb Scaffolds for Achieving Infection Prevention and Bone Regeneration (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro、Shimabukuro Masaya、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 14 ページ: 3762～3772
  • DOI: 10.1021/acsami.1c20204
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structurally optimized honeycomb scaffolds with outstanding ability for vertical bone augmentation (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro、Shimabukuro Masaya、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Journal of Advanced Research 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1016/j.jare.2021.12.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Granular honeycomb scaffolds composed of carbonate apatite for simultaneous intra- and inter-granular osteogenesis and angiogenesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro、Yanagisawa Toshiki、Shimabukuro Masaya、Kishida Ryo、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Materials Today Bio 巻: － ページ: 100247～100247
  • DOI: 10.1016/j.mtbio.2022.100247
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiscale porous scaffolds constructed of carbonate apatite honeycomb granules for bone regeneration (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro、Tsuchiya Akira、Shimabukuro Masaya、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Materials & Design 巻: 215 ページ: 110468～110468
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110468
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of Channels and Micropores in Honeycomb Scaffolds on the Reconstruction of Segmental Bone Defects (2022)
  • 著者名/発表者名: Shibahara Keigo、Hayashi Koichiro、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 巻: 10 ページ: －
  • DOI: 10.3389/fbioe.2022.825831
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Feasibility study on surface morphology regulation of β-tricalcium phosphate bone graft for enhancing cellular response (2022)
  • 著者名/発表者名: Putri Tansza Setiana、Sunarso、Hayashi Koichiro、Tsuru Kanji、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: 48 ページ: 13395～13399
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.02.200
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface functionalization with copper endows carbonate apatite honeycomb scaffold with antibacterial, proangiogenic, and pro-osteogenic activities (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimabukuro Masaya、Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Biomaterials Advances 巻: － ページ: 212751～212751
  • DOI: 10.1016/j.bioadv.2022.212751
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication and histological evaluation of porous carbonate apatite blocks using disodium hydrogen phosphate crystals as a porogen and phosphatization accelerator (2022)
  • 著者名/発表者名: Freitas Pery、Kishida Ryo、Hayashi Koichiro、Tsuchiya Akira、Shimabukuro Masaya、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Materials Research Part A 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1002/jbm.a.37374
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Pore Interconnectivity on Bone Regeneration in Carbonate Apatite Blocks (2022)
  • 著者名/発表者名: Elsheikh Maab、Kishida Ryo、Hayashi Koichiro、Tsuchiya Akira、Shimabukuro Masaya、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Regenerative Biomaterials 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1093/rb/rbac010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fabrication of vaterite blocks from a calcium hydroxide compact (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Kunio、Freitas Pery、Kishida Ryo、Hayashi Koichiro、Tsuchiya Akira
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: 48 ページ: 4153～4157
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.10.206
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of carbonate ions in phosphate solution on the fabrication of carbonate apatite through a dissolution?precipitation reaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimabukuro Masaya、Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: 48 ページ: 1032～1037
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.09.188
  • 査読あり
• [雑誌論文] Honeycomb scaffolds capable of ectopic osteogenesis: Histological evaluation of osteoinduction mechanism (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Nano Select 巻: 3 ページ: 60～77
  • DOI: 10.1002/nano.202000283
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] No-Observed-Effect Level of Silver Phosphate in Carbonate Apatite Artificial Bone on Initial Bone Regeneration (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimabukuro Masaya、Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: ACS Infectious Diseases 巻: 8 ページ: 159～169
  • DOI: 10.1021/acsinfecdis.1c00480
  • 査読あり
• [雑誌論文] Honeycomb Scaffold: Effects of Microstructure on Bone Regeneration and Applications to Orthopedic and Dental Fields (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro
  • 雑誌名: Journal of the Society of Powder Technology, Japan 巻: 58 ページ: 613～619
  • DOI: 10.4164/sptj.58.613
  • 査読あり
• [雑誌論文] Honeycomb scaffolds capable of achieving barrier membrane-free guided bone regeneration (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro、Shimabukuro Masaya、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Materials Advances 巻: 2 ページ: 7638～7649
  • DOI: 10.1039/d1ma00698c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impacts of channel direction on bone tissue engineering in 3D-printed carbonate apatite scaffolds (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichiro、Kato Nao、Kato Masaki、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Materials & Design 巻: 204 ページ: 109686～109686
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109686
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Carbonate apatite artificial bone (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Kunio、Hayashi Koichiro
  • 雑誌名: Science and Technology of Advanced Materials 巻: 22 ページ: 683～694
  • DOI: 10.1080/14686996.2021.1947120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Honeycomb Scaffold-Guided Bone Reconstruction of Critical-Sized Defects in Rabbit Ulnar Shafts (2021)
  • 著者名/発表者名: Shibahara Keigo、Hayashi Koichiro、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: ACS Applied Bio Materials 巻: 4 ページ: 6821～6831
  • DOI: 10.1021/acsabm.1c00533
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reconstruction of critical‐size segmental defects in rat femurs using carbonate apatite honeycomb scaffolds (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakemi Yuta、Hayashi Koichiro、Tsuchiya Akira、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Materials Research Part A 巻: 109 ページ: 1613～1622
  • DOI: 10.1002/jbm.a.37157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of bone to polylactic acid plate bonding by carbonate apatite coating (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Cheng、Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: 47 ページ: 28348～28356
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.06.252
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of highly interconnected porous carbonate apatite blocks based on the setting reaction of calcium sulfate hemihydrate granules (2021)
  • 著者名/発表者名: Kishida Ryo、Elsheikh Maab、Hayashi Koichiro、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: 47 ページ: 19856～19863
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.03.324
• [学会発表] ハニカムスキャフォールド：抗菌性、骨誘導、整形外科・歯科応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林 幸壱朗
  • 学会等名: 第43回日本バイオマテリアル学会
  • 招待講演
• [学会発表] Honeycomb scaffolds: vertical bone augmentation and antibacterial effects” Japanese Association for Dental Research (2021)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Hayashi
  • 学会等名: Japanese Association for Dental Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ハニカムスキャフォールドの微構造が垂直的骨造成に与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林 幸壱朗
  • 学会等名: セラミックス協会第34回秋期シンポジウム
• [産業財産権] 医用リン酸カルシウム及びその製造方法 (2022)
  • 発明者名: 林幸壱朗、島袋将弥、石川邦夫
  • 権利者名: 林幸壱朗、島袋将弥、石川邦夫
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願 2022-016535
• [産業財産権] 医用組織再建材料及びその製造方法 (2021)
  • 発明者名: 林幸壱朗、島袋将弥、石川邦夫
  • 権利者名: 林幸壱朗、島袋将弥、石川邦夫
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願 2021-129380