骨組織工学用の堅牢な生体模倣足場を構築するためのセルロース ナノクリスタル ベースの複合材料の 3D プリンティング

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21244 (2022) この記事を引用

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セルロース ナノクリスタル (CNC) は、その耐久性、生体適合性、生分解性、および優れた機械的特性により、生物医学およびヘルスケアの分野でますます注目を集めています。 ここでは、溶融堆積モデリング技術を使用して、Ficus thonningii から抽出したポリ乳酸 (PLA) と CNC から 3D 複合足場を作製しました。 走査型電子顕微鏡検査により、印刷された足場が推定平均孔径約 400 μm の相互接続した孔を示していることが明らかになりました。 複合材料に 3% (w/w) の CNC を組み込むと、PLA の機械的特性 (ヤング率が約 30% 増加) と湿潤性 (水接触角が約 17% 減少) が改善されました。 模擬体液を使用した印刷足場の石灰化プロセスが検証され、ヒドロキシアパタイトの核形成が確認されました。 さらに、細胞適合性試験により、PLA および CNC ベースの PLA 足場は毒性がなく、骨細胞と適合することが明らかになりました。 PLA/CNC 複合材料の高速 3D プリンティングに基づいた当社の設計は、構造を制御し、足場の機械的および生物学的特性を向上させる機能を組み合わせており、骨組織工学および再生医療における応用の可能性を広げます。

自然の骨構造と生体力学的環境の複雑さのため、骨工学用の材料の開発は依然として課題です。 損傷した骨組織を修復するには、さまざまな骨から自家移植片を採取し、欠損した骨を置き換えるのに使用します。 同種移植片の入手可能性が低いと意欲が失われ 1、2、3、インプラントとして使用される人工接合部は治癒後に除去しなければならないことがよくあります 4。 最近、骨の成長を促進するために使用される足場を利用した再生医療など、新しい骨修復戦略が登場しました。

理想的な骨足場は、細胞の付着と増殖のために骨の複雑な組成と構造を模倣できる三次元マトリックスである必要があります6。 したがって、天然の宿主組織と統合するには、高い生体適合性、生分解性、非毒性、優れた機械的特性、および多孔性と細孔サイズに関する適切な構造が必要です7。 したがって、足場の化学組成と物理化学的特性は、機械的および生物学的性能に直接影響を与える 8 ため、研究すべき重要なパラメータとなります。

合成バイオポリマーは、生体適合性と足場の物理化学的特性を制御できるため、骨組織工学で広く使用されています。 これらは、ポリグリコール酸 (PGA)、ポリカプロラクトン (PCL)、ポリ乳酸 (PLA) などの脂肪族ポリエステルで構成されています9。 残念ながら、それらはかなり脆く、通常は生体内での急速な分解により強度が失われます。 さらに、それらの疎水性は骨細胞の付着と増殖を妨げます10。 これらの制限を克服するために、合成ポリマー、つまり PLA または PCL に基づく足場は、興味深い特性で知られるセルロース 11、12、13、14、15、アルギン酸塩 16、ゼラチン 17、キトサン 18、19 またはケラチン 20 などの天然ポリマー強化材を組み込むことで改善できます。

硬組織工学用の足場を開発するには、溶媒キャスティングおよび粒子浸出、エマルション凍結乾燥、相分離、またはエレクトロスピニング 21、22、23 などのいくつかの技術が使用されます。 しかしながら、それらは形態および多孔性の効率的な制御を可能にするものではない。

積層造形は、生体模倣骨修復材料の設計と調製に最適な技術であることが証明されています。 3D 制御された足場構造は、骨細胞の接着と増殖だけでなく、機械的特性にも大きな影響を与えます 2,24,25,26,27,28。 したがって、光造形、3D プロッティング、選択的レーザー焼結、バイオプリンティング、熱溶解積層モデリング (FDM) などのさまざまな技術を使用した 3D プリント足場の開発にさまざまな研究が焦点を当ててきました。 FDM は最も広く使用されている積層造形技術です。 これは、低コストで簡単かつ迅速な技術であり、ポリマーの取り扱いに大きな可能性をもたらします。