3Dを使用したラット頭蓋冠骨欠損の再構築の加速

May 20, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12145 (2023) この記事を引用

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頭蓋冠欠損の自己治癒および自家骨移植は困難な場合があります。 したがって、迅速かつ効果的な修復のための足場の製造は、有望な研究分野です。 この論文では、頭蓋冠欠損領域に形成された新骨における、三次元 (3D) 印刷されたポリカプロラクトン (PCL) 足場と、ハイドロキシアパタイト (HA) およびバイオグラス (BG) バイオセラミックス足場で PCL 修飾されたバイオセラミックス足場の能力に関する比較研究を提供しました。 研究された 3D プリントされた PCL 足場は、溶融堆積による層ごとのモデリングによって製造されました。 足場表面の細胞接着を評価した後、足場をラットの頭蓋骨欠損モデルに移植しました。 ラットを、ＰＣＬ、ＰＣＬ／ＨＡ、ＰＣＬ／ＢＧ、およびＰＣＬ／ＨＡ／ＢＧを含む足場移植片を有する４つのグループと、非外植片対照グループとに分けた。 頭蓋骨再生における 3D プリント足場の能力は、マイクロコンピューター断層撮影スキャン、組織学的分析および免疫組織化学的分析を使用して調査されました。 最後に、いくつかの骨関連遺伝子の発現レベル、ならびに骨形成経路における正の制御因子としての miR-20a および miR-17-5p、および負の制御因子としての miR-125a の発現も調査されました。 この比較研究の結果は、HA および BG バイオセラミックスを含む PCL 足場が、頭蓋冠欠損治療の分野で広範囲にわたる潜在的な用途を持っていることを示しました。

最も一般的な損傷の種類は、加齢、代謝異常、事故、または外傷によって引き起こされる骨折です1。 骨には、小さな傷があれば自己再生および修復する能力があります2,3。 しかし、大きな骨折には移植が必要であり、臨床上重大な課題となります4。 患部へのマトリックス移植による骨再生は、別のアプローチです5。 骨折、骨粗鬆症、骨異常の治療に適したもう 1 つの方法は、人工材料、生物医学技術、再生可能な幹細胞を組み合わせた骨組織工学です6。 設計された足場は物質輸送に大きな影響を与え、細胞の増殖、接着、成長をサポートします7。 制御された生分解性、適切な機械的強度、細胞増殖に必要な細孔サイズと多孔度を備えた相互接続された細孔構造は、理想的な足場の特徴です 8,9。 適切な骨足場は、天然の骨の多孔質構造を模倣するために、気孔率約 65%、孔径約 200 ～ 800 μm の相互接続された多孔質システムを備えている必要があります 10。 足場の機能を高める工法の開発に大きな関心が集まっています。 三次元 (3D) 印刷技術は、生物医学組織再生工学の分野で広く使用されており、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを利用して複雑な 3D 構造を構築します 11、12、13。 医療技術の進歩により、外科医はコンピューター断層撮影 (CT) スキャナーで患者の頭蓋骨欠損をスキャンし、頭蓋骨変形の再構築に役立つ生体材料を使用してデジタル データに基づいて 3D 足場モデルを作成できるようになりました 14、15、16、17、18。 。 3D プリンティング技術の中で最も一般的でコスト効率の高い技術の 1 つは、溶融堆積モデリング (FDM) 技術です。この技術は、温度制御されたノズルから生体材料を層ごとに注入することで足場を作製するために使用できます 17。 生体材料の例としては、食品医薬品局 (FDA) によって承認された生体適合性ポリマーであるポリ-ε-カプロラクトン (PCL) があります。 しかし、PCL はその表面疎水性のため、細胞の付着や増殖には適していません 19。 したがって、このポリマーの使用は組織工学足場の構築に制限される可能性があります。 この問題を解決するために、骨ミネラル相に類似したハイドロキシアパタイト (HA) や生物活性ガラス (BG) などの生物活性セラミックスを使用して、PCL 足場の細胞付着を改善します。 生体活性セラミックス足場は、骨の HA 様層の形成により、骨組織と強力な化学結合を形成する可能性があります 20。 したがって、生体活性セラミックは、骨との結合における高い可能性と新しい骨の形成を刺激する効果があるため、骨組織工学で最も広く使用されている材料です21。 HA (Ca5(PO4)3(OH)) は骨の天然ミネラル成分であり、優れた生理活性、生体適合性、生体伝導性、非毒性、非炎症性の特性を示します。 非常に硬いですが脆く、体内での分解速度が非常に遅いため、天然や合成の高分子と組み合わせて足場を作るのに使われます22。 HA は骨形成タンパク質 (BMP) などの成長因子を刺激するため、骨形成に有益です 23。 BG は、in vitro および in vivo で優れた生体適合性を備えた最も有望なバイオセラミックスの 1 つであり、体液中に配置された後、BG は生体組織に結合して骨形成を改善する生理活性 HA 層を生成します。 BG の欠点は、その強度の低さと脆さです 24。microRNA (miRNA) は、進化的に保存された内因性の一本鎖 RNA の一種で、長さが約 21 ～ 23 ヌクレオチドで、3' 非翻訳領域 (UTR) を標的とすることにより転写後調節因子として機能します。広範囲の生物学的プロセスを調整するための標的mRNAの調整25。 近年、miRNAと骨形成の関係が注目を集めています。 研究では、miRNA が骨芽細胞の分化と骨の発達に制御効果があることが示されています 26。