生体適合性に及ぼす各種微粒子粉末のサイズ依存性と生化学的材料評価

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14370623
• Research Institution: HOKKAIDO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 亘理 文夫 北海道大学, 大学院・歯学研究科, 教授 (70158682)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高師 則行 北海道大学, 歯学部附属病院, 助手 (40312376) ; 戸塚 靖則 北海道大学, 大学院・歯学研究科, 教授 (00109456) ; 宇尾 基弘 北海道大学, 大学院・歯学研究科, 助教授 (20242042) ; 赤坂 司 北海道大学, 大学院・歯学研究科, 助手 (00360917) ; 横山 敦郎 北海道大学, 大学院・歯学研究科, 助手 (20210627)
• Keywords: バイオマテリアル / 生体適合性 / 細胞機能性試験 / ナノマテリアル / ナノトキシコロジー / サイトカイン / 微粒子 / インプラント

Research Abstract

[目的]粉液法が多用される歯科材料や摺動部で摩耗粉が発生するインプラント等、微粒子の生体への影響は重要であり、為害性に及ぼすサイズ依存性をin vitro, in vivo試験で調べた。
[方法]粒度分布粒子群から、粒度分布測定装置と比表面積測定装置でモニターしながら、沈降法により0.5,3,10μmを、限外濾過法により300nm以下の単分散粒子を抽出し、材料間でも同一に揃えた。
[サイズ依存性]ヒト好中球、歯根膜細胞、ラットマクロファージを用いた細胞機能性試験では、Ti, Fe, Ni(各500nm;3,10,50,150μm),TiO_2(30,60,300,500nm;2μm),ポリ乳酸(1,13μm)の微粒子径が小さくなるほど細胞生存率が低下し、LDH、活性酸素,サイトカインTNF-α, IL-1β, IL-8,M-CSFの放出は増加した。特に細胞より小さな10μm以下では貪食を誘発し著しく増大した。その刺激性は細胞内毒素に比べると1/100〜1/1000程度オーダーが低い。カーボンナノチューブ(CNT:30,200nm;1,2μm)、ナノファイバー(CNF:2μm)では同様に刺激性を示すが、10μmから10nm領域にかけ、サイズが減少するほど諸指標が減少する逆相関を示した。
[結論]動物埋入試験でも約100μm以上のTi粒子は生体親和性を示すが、50μm以下では炎症性反応を惹起し、10μm以下になると貪食を誘発し、長期間強い炎症を引き起こす。マクロサイズの生体適合性には通常、溶解イオンとして発現する材質依存的な化学的効果が支配的であるが、μm〜nmになるとbioactive, bioinert材料でも、微粒子と細胞・組織の相対的なサイズ関係に由来する、材質非依存的な物理的サイズ効果が顕在化する。
[ナノトキシコロジー]最近、欧米からアスベストと同様な毒性の可能性が指摘されたCNTに関し、微粒子に基づく刺激性は示すものの特異的な毒性は観察されず、基本的にはbioinert材料と判定される。

Research Products

• [Publications] Fumio Watari: "Mechanical Properties and Biocompatibility of Surface-Nitrided Titanium for Abrasion Resistant Implant"Bioceramics (Key Engineering Materials Vols.254-256). 16. 873-876 (2004)
• [Publications] K.Tamura: "Effects of Micro/Nano Particle Size on Cell Function and Morphology"Bioceramics (Key Engineering Materials Vols.254-256). 16. 919-922 (2004)
• [Publications] Fumio WATARI: "Biocompatibility of materials and development to functionally graded implant for bio-medical application"Composites Science and Technology. 64・6. 893-908 (2004)
• [Publications] 亘理文夫: "微粒子と生体反応"ナノ学会会報. 2・1. 33-37 (2003)
• [Publications] 亘理文夫: "傾斜機能型デンタルポストの応用緩和効果"2002年度傾斜機能材料論文集<FGM2002>. 93-97 (2003)
• [Publications] Fumio WATARI: "Development of functionally graded implant and dental post for bio-medical application"Functionally Graded Materials 2002. 423-425. 321-326 (2003)
• [Publications] 亘理文夫: "傾斜機能型人工歯根の開発と課題"傾斜機能材料の開発と応用(シーエムシー出版). 149-158 (2003)
• [Publications] 横山敦郎: "生体材料(デンタルインプラント)を目的とした傾斜機能材料の作製と生体反応"化学工業. 54・11. 13-18 (2003)
• [Publications] Junko KONISHI: "Effect of Sphered Particles on the Firing Contraction of Porcelain Inlay Processed by Cold Isostatic Pressing"J.Biomed.Mater.Res.. 66B. 553-558 (2003)
• [Publications] Magda Kiyoko Yamada: "Imaging and Non-Contact Profile Analysis of Nd : YAG Laser-Irradiated Teeth by Scanning Electron Microscopy and Confocal Laser Scanning Microscopy"Dental Materials Journal. 22. 556-568 (2003)
• [Publications] Magda Kiyoko Yamada: "CLSM and SEM quantitative analysis of surface topography of human teeth irradiated by Nd : YAG, Er : YAG and CO_2 lasers"Proc.8th Int.Congr.Laser in Dentistry International Congress Series. 1248. 135-137 (2003)
• [Publications] Kazutoshi TANI: "Discrimination between Composite Resin and Teeth using Fluorescence Properties"Dental Materials Journal. 22. 569-580 (2003)
• [Publications] Atsuro Yokoyama: "Tissue response to a newly developed calcium phosphate cement containing succinic acid and carboxymenthyl-chitin"J.Biomed.Mater.Res.. 64A. 491-501 (2003)
• [Publications] Motohiro Uo: "Cytotoxicity and bonding property of dental ceramics"Dental Materials. 19. 487-492 (2003)
• [Publications] Motohiro Uo: "Surface analysis of dental amalgams by X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray diffraction"Dental Materials. 19. 639-644 (2003)
• [Publications] Min Ho Lee: "Biocompatibility of Surface Treated Pure Titanium and Titanium Alloy by in vivo and in vitro Test"Metals and Materials International. 9・1. 35-42 (2003)
• [Publications] N.Suwa: "Static-Dynamic Friction Transition of FRP Esthetic orthodontic wires on various brackets by suspension type friction test"J.Biomedical Materials Research. 66B. 765-771 (2003)
• [Publications] 豊泉 裕: "光重合法によるアーチ型審美矯正ワイヤーの開発"歯科材料・器械. 21・5. 271-277 (2002)
• [Publications] 山方秀一: "審美性に優れた歯科矯正ワイヤーの開発"材料と環境. 51・12. 555-560 (2002)