生体力学的適合性を有する再生医療用関節層状組織の開発

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14F04362
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 東藤 貢 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): ISLAM Md 九州大学, 応用力学研究所, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 組織工学 / 軟骨再生 / 骨再生 / コラーゲン / バイオセラミックス / 多孔体

Outline of Annual Research Achievements

変形性関節症が生じた場合，人工関節置換により関節機能は大幅に改善するものの，安全性や耐久性の点でいまだ様々な問題を抱えている．そこで複雑な関節組織を再生する技術の確立を目指すことが重要である．
そこで本研究では，上層が軟骨で下層が海綿骨となる層状組織を構築するための組織工学的研究を行うことを目的とした．
平成26年度は，軟骨再生用として，コラーゲンゲルとコラーゲンスポンジを複合化した材料の作製方法の確立と，試作した材料について構造と力学特性の評価を行った．具体的には，コラーゲン溶液を用いて凍結乾燥法によりコラーゲンスポンジの作製を行い，さらに架橋反応を用いてスポンジ構造の安定化を行った．次いで，スポンジをコラーゲン溶液に浸漬しゲル化させることで，ゲル・スポンジの複合構造体を作製した．作製した材料の微視構造をFE-SEMを用いて観察し，その構造について明らかにした．また，圧縮試験を行った結果，ゲル単体，スポンジ単体と比較して，大幅な力学特性の向上を確認した．
海綿骨再生用としては，空孔率を制御したハイドロキシアパタイト焼結多孔体にコラーゲンをコーティングした材料の作製方法の確立を行い，試作した材料の構造と力学特性および化学組成について評価を行った．具体的には，多孔質構造制御型テンプレート法を用いてハイドロキシアパタイトの焼結多孔体を作製した．次いで，多孔体をコラーゲン溶液に浸漬し取り出した後乾燥させ，さらに架橋することでコラーゲンコーティングハイドロキシアパタイト多孔体を作製した．作製した材料の微視構造をFE-SEMで観察し，多孔質構造とコラーゲン層の状態について確認した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成26年度の目的は，軟骨再生用と骨再生用の足場材料作製の基礎を確立することであった．軟骨再生用としては，コラーゲンゲルとコラーゲンスポンジを複合化した材料の作製方法の確立に成功し，試作した材料について構造と力学特性の評価を行い，その有効性を確認した．具体的には，コラーゲン溶液を用いて凍結乾燥法によりコラーゲンスポンジの作製を行い，さらに架橋反応を用いてスポンジ構造の安定化を行った．次いで，スポンジをコラーゲン溶液に浸漬しゲル化させることで，ゲル・スポンジの複合構造体を作製した．作製した材料の微視構造をFE-SEMを用いて観察し，その構造について明らかにした．また，圧縮試験を行った結果，ゲル単体，スポンジ単体と比較して，大幅な力学特性の向上を確認した．
海綿骨再生用としては，空孔率を制御したハイドロキシアパタイト焼結多孔体にコラーゲンをコーティングした材料の作製方法の確立に成功した．試作した材料の構造と力学特性および化学組成について評価を行い，その有効性を確認した．具体的には，多孔質構造制御型テンプレート法を用いてハイドロキシアパタイトの焼結多孔体を作製した．次いで，多孔体をコラーゲン溶液に浸漬し取り出した後乾燥させ，さらに架橋することでコラーゲンコーティングハイドロキシアパタイト多孔体を作製した．作製した材料の微視構造をFE-SEMで観察し，多孔質構造とコラーゲン層の状態について確認した．
以上の研究成果は，本研究課題の最終目標を達成するための最重要課題の一つである足場材料の開発を達成したことを示しており，次年度の発展研究へと続く重要な成果である．

Strategy for Future Research Activity

平成27年度は，軟骨および海綿骨用足場材料の作製と評価を行う．次いで，各足場材料に間葉系幹細胞を播種し，軟骨細胞と骨芽細胞に分化させて増殖させる培養実験研究を開始する．一定期間培養した試験体に対し，細胞数，細胞活性，分化マーカの定量的評価，および力学特性の評価を行う．次に，軟骨層と海綿骨層を重ねた積層構造体を作製し，さらに一定期間培養して，単層培養の場合と同様の評価を行う．具体的な研究計画は以下の通りである．
（１）各足場材料に間葉系幹細胞を播種し，一定機関培養して，増殖，分化，ECM形成を行う．
（２）１で作製した再生組織に対して，細胞数，細胞活性，分化マーカ等の生物学的評価，SEMによる微視構造観察，圧縮力学特性評価等を行う．
（３）１で作製した組織を積層化し，さらに一定期間培養して積層組織を構築する．得られた組織に対して，２と同様の評価を行う．
平成27年度の研究目的を達成後は，作製した積層組織の構造の強化を試みる．まず軟骨層と海綿骨層のそれぞれに対して，細胞増殖能の向上とECM形成の向上を試みるとともに，足場材料の強化を試みる．たとえば，軟骨用足場材料については，コラーゲン線維の配向の制御，ゲルの高密度化等を試みる．一方，海綿骨用足場材料については，ハイドロキシアパタイトの柱構造の高強度化を試みる．