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導入事例
天然骨の複雑な階層構造を忠実に再現する合成材料を開発することは、バイオマテリアルサイエンスの最も野心的なフロンティアの1つです。骨は、単に静的な鉱物の沈殿物ではなく、有機コラーゲン繊維、無機ヒドロキシアパタイト結晶、および複数の長さスケールにわたって細胞成分を統合する動的、生きた複合体ではありません。このアーキテクチャの成功した模倣は、医療インプラント、組織工学の足場、および再生体を変形させ、より良くする、バイオテクノロジーの目標を達成することを可能にする、より優れたバイオテクノロジーと、より詳細な技術、およびバイオテクノロジーの目標を達成することができます。
自然骨の階層構造
天然骨は、マクロスコープからナノスコープに及ぶ細心の組織的な階層を展示しています。マクロレベルでは、骨は密な角質骨と多孔質な骨に分けられ、それぞれ異なる機械的役割を持つ。角質骨は構造的剛性を提供し、大腿骨は衝撃を吸収し、その軌跡ネットワークを介して代謝機能をサポートしています。
マイクロレベルでは、オステロン(円錐形積層積層)の円筒形ユニットは、角質骨のビルディングブロックを形成します。各ラメラには、ヒドロキシアパチット結晶と分散する整列コラーゲン繊維が含まれています。ナノスケールでは、コラーゲン分子は、特徴的な67nm周期的なバンディングパターンでフィブリルに自己組み立てられます。これらの繊維は、ヒドロキシアパチット結晶の核化と方向性のためのテンプレートとして機能し、これは、ナノメートルと非分岐に作用するだけでなく、ナノ強度の合成物質と合成物質がわずかに結合します。
研究者は、X線回折、電子顕微鏡検査、原子力顕微鏡検査などの技術を用いて、この多次元アーキテクチャを広く特徴としています。これらの階層的な関係を理解することは、構造と骨の機械的動作を再現する合成アナログの設計に不可欠です。 ]]の包括的なレビュー ]]]]]は、骨の階層構造の原理が新しい材料を刺激することができる方法を説明する
合成骨髄ミクトリーにおける重要な課題
骨の階層構造の複雑さを再現する研究は10年もの間、非常に困難にとどまります。1つの主要な障害物は、複数の長さのスケールにわたってコンポーネントの精密な直線と空間組織を達成しています。合成の足場はマクロとマイクロポロシティを模倣できますが、ナノスケールアーキテクチャを制御することは、コラーゲン‐ミメティックフィカールのオリエンテーションやミネラル結晶のエピタキシャル成長など、高度な加工方法を必要とします。
もう一つの課題は、ネイティブボーンの動的性質です。 リビングボーンは、機械的負荷と生化学的信号に対応する骨粗鬆症および骨粗鬆芽によって絶えず改造されています。 合成材料は、生体適合だけでなく、細胞の浸入、血管拡張、および漸進的な改造を促す必要があります。 多くの現在のインプラントは、ストレスシールド、低骨統合、または炎症反応による故障に失敗します。
さらに、強度と生体活性の複合材料の設計間のトレードオフ。高密度合成ヒドロキシアパチットセラミックスは、優れた圧縮強度を提供しますが、脆く、再ソルブが困難です。逆に、ポリマーベースの複合材料は、柔軟性が高まっているか、あまりにも迅速に劣化する可能性があります。機械的特性、劣化率、生物学的カチの最適なバランスを達成するには、組成と微細構造の慎重なエンジニアリングが必要です。
革新的な材料の設計戦略
バイオミメティック足場製作
添加剤製造技術は、骨の模倣の足場の生産に革命をもたらしました。 3D印刷は、細孔サイズ、気孔率、相互接続性を正確に制御し、血管の骨のアーキテクチャを模倣します。 例えば、選択的なレーザー焼結および溶断堆積モデリングは、カスタマイズされた機械的特性で患者固有のインプラントを作成することができます。
エレクトロスピニングは、コラーゲンネットワークに似たナノフィブロス足場を生成するための別の強力な方法です。 ソリューションの集中、電圧、およびコレクターの幾何学によって、研究者は細胞の向きとマトリックスの堆積を導く、整列された繊維を作り出すことができます。 エレクトロスピンドナノファイバー層と3D‐プリントされたマクロ構造を組み合わせることで、ロードベアリングと細胞の浸入をサポートする階足場が生じる。 そのようなモデルを実証するActa]で公開された研究[FLT]:動物モデル[FLT]:動物モデル]を改良する[FLT]
自己組立・分子工学
Natureは、個々のトポコラーゲン分子から骨のコラーゲンテンプレートを作成するために自己アセンブリを使用します。 合成化学者は、同様にナノファイバー、ハイドロゲル、または液体結晶相に自己組織することができるペプチドの非親友および他の有機分子を開発しています。 これらのシステムは、骨粗鬆症を促進するような特定の生化学的信号を提示するために設計することができます。
有望なアプローチは、DNA オリガミまたはブロック共重合ミクロレを使用して、制御された方向にヒドロキシアパチット結晶の堆積をテンプレート化します。 、スキャフォールドにカルシウム結合ペプチドを固定することにより、研究者は天然骨に似た結晶配列でミネラル化繊維を達成しました。 これらの自己組み立て構造は、また、機械的整合性を向上させるために無機ナノ粒子と交差または結合することができます。
複合材料および勾配材料
骨の非線形機械的行動は、その合成の性質から生じるものであり、異なる構造領域間のスムーズな移行。ポリマーマトリックスを結合する合成複合体(ポリカプロロラクトンまたはポリ(乳-コ-グリコール酸)、ヒドロキシアパタイトやトリコニウムリン酸などのセラミックフィラーは、ネイティブボーンの有機組織的比率を近似することができます。高度な製造により、ミネラル含有量が内部から徐々に増加するグレードされた複合体が、転移から転移に至る可能性があります。
勾配材料は、インプラント・ボーン・インタフェースにおけるストレス濃度の問題にも対処します。インプラントの係数が、周囲の骨のものと一致するとき、負荷伝達は、より生理学的であり、ストレスシールドを削減します。 気孔率勾配のスキャフォールドを機能的にグレード付け、骨の増殖と機械的安定性を向上させることが示されています。 ]の紙は、バイオマテリアル]は、両方の強度と優れた強度と優れた強度と優れた強度と優れた強度を連続した展示物と複合層を合成した多層構造を示しています。
バイオインスパイアされた階層コーティング
骨のナノトポグラフィーを模倣する表面処理は、バルク機械的特性を変更することなく、オソ統合を強化することができます。陽極酸化、加水温処理、層層層層層アセンブリなどの技術は、高面面積と強化された湿潤性を有するナノ構造表面を作成します。例えば、階層的なマイクロスケール/ナノスケールの表面ショーで処理されたチタンインプラントは、生体中の骨-to-implant contactを改善しました。
もう一つの戦略は、インプラントが骨の鉱物に密接に似ているアパタイトの層でコーティングされるバイオミメティック鉱物化を使用しています。 骨のようなアパタイトを堆積させるのに一般的に、スピルスを使用することができますが、プロセスは遅くすることができます。 最近の研究は、多層またはカルシウムとリン酸イオンを引き付けるポリマーを組み込むことによって、ミネラル化を加速します。 これらのコーティングは、骨軟化薬や成長因子のキャリアとして機能することもできます。
再生医療の適用
階層骨の模倣材料の究極の目標は、損傷した骨を交換または再生することです。整形外科では、腰、膝、および脊椎用の負荷ベアリングインプラントは、迅速かつ循環的なローディングに耐える材料を必要とします。 制御気孔のある階層の足場は、迅速な血管拡張と骨の増殖を可能にし、回復時間を削減します。
切除術では、患者固有の足場はCTスキャンから複雑な骨の欠陥を埋めるために設計されています。徐々に劣化し、ネイティブ組織に置換される複合材料は、インプラント除去の必要性を排除します。非組合の骨折のために、自己組み立てのペプチドとセラミックナノ粒子を含む注射可能な水力学は、不規則なキャビティを満たし、治癒を促進することができます。
構造的修復を超えて、骨-mimetic材料は、薬物の配信と癌治療のためのプラットフォームとして探求されています。 階層の気孔率は、抗生物質、抗炎症薬、または化学療法で読み込まれ、足場の劣化として制御された方法でそれらを解放することができます。 機械的サポートと治療的配達の組み合わせは、生体を刺激する設計の多機能性を発揮します。
未来の方向と新興技術
高度な製造は、階層構造の模倣品の境界線をプッシュし続けています。四次元印刷は、印刷された構造が刺激反応して時間をかけて形状や特性を変更します。それは、治癒環境に適応する動的足場の可能性を引き出します。マイクロセンサーとワイヤレスエレクトロニクスの統合により、インプラント性能と骨再生のリアルタイムモニタリングを実現できます。
機械学習と計算設計は、階層構造の最適化を加速しています。機械的および生物学的反応をシミュレートすることにより、研究者は気孔率、繊維アライメント、ミネラル含有のどの組み合わせが最良の性能を生み出すかを予測し、試行錯誤実験の必要性を減らすことができます。
もう一つの新興方向は、細胞や細胞由来因子を組み込んだ生活材料のscaffoldsの使用です。例えば、前方から見た足場の細胞やエンドテルル細胞と共同計算することで血管拡張と骨形成を加速することができます。バイオプリントの進歩により、複数の細胞タイプと成長因子の同時堆積が正確な3Dパターンで同時堆積し、組織的な構造を模倣するだけでなく、その骨構造も複雑化することができます。
[]の先方を見渡すサイエンス[は、細胞生物学と合成化学を組み合わせたことで、自然な骨のような動的に改造する材料につながることを強調します
[(Mitragotri et al., 2020)[]]。
コンテンツ
合成材料における天然骨の階層構造の再現は、材料科学、化学、生物学、エンジニアリングの分野横断的なコラボレーションを要求する難題の課題です。 重要な進歩は、生体模倣の足場の製作、自己アセンブリ、複合およびグラデーション設計、および生体内刺激的なコーティングを使用して行われています。 これらの革新は、よりよく、生体組織とより密接に統合し、生体内骨機能の生物学的機能につながり、インプラントや足場につながる。
4Dプリンティング、機械学習、および生活材料の成熟などの技術として、合成および天然骨のギャップは引き続き狭くなります。究極のペイオフは、患者の成果を向上し、再編手術を削減し、複雑な骨の欠陥を再生する能力を低下させ、現代のバイオマテリアル研究の最もエキサイティングでインパクトのある領域の1つにします。