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動物骨由来吸収性傾斜機能生体模倣材料の開発

北海道立総合研究機構 工業試験場 研究主幹 赤澤敏之

北海道医療大学 歯学部 准教授 村田勝, 教授 有末眞

北見工業大学 工学部 准教授 菅野亨

動物骨の母構造を高度有効活用し, 焼成骨の完全溶解, 部分溶解, リン酸カルシウム結晶の再析出, 熱処理, 骨形成蛋白質の含浸工程により, 骨再生・代謝に優れた生体模倣性傾斜機能複合材料とその作製方法を提供

傾斜機能アパタイト

動物骨

動物実験

500μ m 1μm

2

セラミックス人工骨の適用

自家骨移植

手術侵襲, 感染, 疼痛

神経麻痺等の合併症

リン酸カルシウム系セラミックス

嚢胞, 腫瘍, 顎裂等の骨欠損

生体材料（人工骨）の従来技術

水酸アパタイト (HAp:Ca10(PO4)6(OH)2)

優れた組織親和性と骨伝導性

生体硬組織代替材料－臨床応用

β-リン酸三カルシウム (β-TCP:Ca3(PO4)2)

3

★市販材料の問題点

・埋入部で生体吸収特性が低い

・既存骨と均質な置換は困難

患者のニ－ズ

生体内で適当なバランス

埋入部位や状況

テ－ラ－メイドの HApセラミックス

機械的強度 吸収速度

従来技術の課題

高い気孔率, 連通多孔性セラミックスの開発

4

(fg-HAp)

アパタイト開発製品の要求性能

・細胞の活性化

表 面

バルク

粒子径 結晶性

生体模倣材料設計

骨形成蛋白質 (rhBMP-2)を含浸 生体内吸収速度と骨誘導能の制御

傾斜機能アパタイト (b-HAp) 焼成アパタイト

動物骨由来

500μ m

・組織体液の浸透性

・高い表面積

・適当な機械的強度 1μ m1μ m

細孔径, 気孔率

微量金属イオン

ナノ

ミクロ

悪い

よい

5

本研究開発の目的

骨誘導性生体模倣材料の設計・制御

1. 安全な動物骨を用いて, fg-HAp多孔体を作製

疑似体液へ浸漬より生体親和性を評価

2. rhBMP-2 を含浸 した fg-HAp 多孔体をラット

背部皮下組織へ埋入, 組織形態学的な観察

3. fg-HAp 多孔体から rhBMP-2 の徐放性と

骨誘導性の関係を検討

6

豚肩甲骨

牛長管骨 牛関節骨

豚下顎骨 豚胸骨

（株）北海道畜産公社製 安全な動物骨原料 トレイサビリテｨー保証の食肉・乳用牛の骨

7

HNO3

傾斜機能アパタイト多孔体の作製方法

牛大腿骨

溶 解

乾 燥

海綿骨 緻密骨

fg-HAp多孔体

部 分 完 全

b-HAp

800-1100℃

25℃ , pH10.5 NH4OH

pH＜ 1

析 出

焼 成

rhBMP-2/fg-HAp

含 浸

安価に製造

8

(b)

1μm

(a)

500μm

傾斜機能アパタイト多孔体の外観と微細構造

細孔径 100 - 800μm

気孔率 60 - 80 %

比表面積 30 - 40 m2・g-1

9

BSE 未検出を帯広畜産大学で鑑定・立証！

牛海綿状脳症診断用酵素抗体反応キット Bio-Rad社製（ELISA, プラテリアBSE）

傾斜機能アパタイトから

平成18年2月23日

国立大学法人 帯広畜産大学大動物特殊疫病研究センター

教授 牧野 壮一

教授 今井 邦俊

異常プリオンは検出されない

10

(310

)

(222

)

(004

)

(213

)(002

)

(210

)

(111

) (300

)

Hydroxyapatite: 9-432

(211

)

(222

)(300

)(1

12)

(002

)

(111

) (310

)

(410

)(4

02)(321

)

(312

)

(200

)

(100

)

(101

)

(110

)

(201

)

(102

)(2

10)

(202

)(3

01)

(212

)

(311

)(1

13)

(203

)

(322

)(31

3)(5

01)

(213

)

Hydroxyapatite: 9-432

(004

)

60

角度 2θ / deg

20 30 40 50 10

傾斜機能アパタイト多孔体の微小X線回折パタ－ン

60 20 30 40 50 10

強 度

a) 表面

b) バルク

(211

)

結晶性の傾斜機能

強 度

11

ミクロ細孔

マクロ細孔 b-HAp

傾斜機能アパタイト多孔体の模式図 溶解析出 HAp

（ r-HAp）

fg-HAp 構造 r-HAp/b-HApの組成比

細孔壁の表層 バルク領域 徐々に減少

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試薬 重量 / l

NaCl 7.996 g

NaHCO3 0.350 g

KCl 0.224 g

K2HPO

4・3H

2O 0.228 g

MgCl2・6H

2O 0.305 g

1M-HCl 40 cm3

CaCl2 0.278 g

Na2SO

4 0.071 g

(CH2OH)

3CNH

2 6.057 g

アパタイト多孔体の生体親和性評価

b-HAp

SEM 観察

擬似体液の組成

多孔体

表面形態，微細構造

と fg-HAp

36.5℃, pH 7.4

90日, 擬似体液

T. Kokubo et al., J. Biomed. Mater. Res., Vol.24, 721 (1990).

浸 漬

13

擬似体液に浸漬した アパタイト多孔体の微細構造

1 日 8 日 14 日 28 日

b-HAp

fg-HAp1μm

骨類似

アパタイト

14

ラット埋入試験による アパタイト多孔体の組織形態学的評価

ウイスタ－系ラット（雄, 4 週齢）

滅 菌

評 価

組織形態学的観察 背部皮下組織

埋 入

摘 出

b-HAp

HE-染色

4,8,12 週 fg-HAp

3x3x3mm

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骨-HApは全体的にモザイク状構造

HAp表面に多核巨細胞が出現

HApに組織体液の貯留

骨細胞を封入した骨基質内に吸収過程HApの残留

新生骨に被包化されたHAp

4週埋入後 rhBMP-2/fg-HAp多孔体の組織

新生骨に被包化されたHAp

アルブミンの吸着

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fg-HAp 多孔体

125 I-labeled rhBMP-2の添加

マウスへ埋入

6 週齢, 雄

γ- カウンタによる I の測定

ddY マウスの背部皮下組織

3x3x3mm

アパタイト多孔体から I ラベル

rhBMP-2の徐放特性評価

b-HAp 多孔体

0.5μg

rhBMP-2保持量の算出

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アパタイト多孔体の rhBMP-2 保持率の変化

100

5 10 25 3031 7 28

fg-HAp

b-HAp

埋入期間 / 日

80

60

40

20

01 3 5 7 10 14 28 3020

rhB

MP

-2の保持率

/ ％

rhBMP-2 埋入3週後の骨形成

fg-HAp

各種多孔体の骨誘導に及ぼすrhBMP-2添加量の影響

0.1

0.5

0/3

4/4

β -TCPb-HAp

0/3

0/3

0/33/30.3

0/3

1/3

2/3

/μ g

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ま と め

fg-HAp : 結晶性, 細孔分布, 粒度分布の設計が可能

3. 埋入4週後 rhBMP-2/fg-HAp: 新生骨, 巨細胞,

吸収過程のHAp等が観察, 骨誘導能が確認

1. fg-HAp: 細孔径 100-800μm, 気孔率 60-80%,

比表面積 30-40m2･g-1, 結晶性と粒子が傾斜機能

2. 擬似体液浸漬 8日後 fg-HAp: 多孔体表面に

骨類似HAp群が観察, 生体親和性が確認

4. rhBMP-2の徐放性: 埋入18日間後 fg-HApによる保持率がb-HApより高値, 14日後で約60%を維持

rhBMP-2/fg-HAp: 骨誘導性生体模倣材料へ応用

特許第3718723号

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新技術の特徴・従来技術との比較

・既存生体材料と比べて, 比表面積が大きい

・優れた組織適合性, 体液浸透性, 生体吸収性,

骨誘導能を有し, 早期の骨リモデリングに有効

な生体模倣性傾斜機能複合材料

・動物骨の母構造を結晶成長場と利用し, 細胞

活性表面を付与した表層からバルクへ 結晶性,

粒子径, 比表面積が傾斜配列した材料

・物理的構造, 結晶性, 表面性質が生体骨に類似

動物骨の物理的構造（海綿骨の気孔径、気孔率）

化学的性質（微量金属イオン）を保持

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実用化に向けた課題 臨床研究, 治験, 薬事法認可

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PDP-セラミックス 市販セラミックス

超音波部分溶解・析出法による

バイオセラミックスの開発

部分溶解・析出法は生体模倣性を付加する湿式合成技術

部分溶解・析出処理

バイオセラミックスの表面改質と機能設計

超音波や攪拌部分溶解・析出法により, バイオセラミックスを部分溶解, ナノ結晶を再析出・複合化したセラミックスを作製

生体材料の微細構造の設計と制御に有効

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想定される用途 ・骨再生や難治療疾患への移植ニ－ズに応える臨床

現場の生体硬組織代替材料, 骨関連蛋白質や細胞

吸着能を有する骨誘導性制御材料

・ナノミクロ傾斜機能材料として, 遺伝子治療の遺伝子

ベクタ－運搬インテリジェント材料

・再生医療, 組織工学で生理活性物質と結合, ES細胞,

体性幹細胞, 骨髄間葉系幹細胞の培養担体材料

企業への期待 医療材料の開発, 細胞工学・医用分野への展開には本技術の導入が有効

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産学官連携の経歴 ・骨粗鬆症, 関節炎治療薬の探索に用いる蛍光標識骨基質の開発

（H15 JST独創ﾓﾃﾞﾙ化事業）

・歯のバイオリサイクル医療システムの開発

（H16-17 経済産業省 地域新生ｺﾝｿ-ｼｱﾑ研究開発事業）

・歯槽骨及び象牙質再生のための歯髄細胞組込型バイオマテリアル

の創成 （H17-18 JST顕在化ｽﾃ-ｼﾞ事業）

・ヒト歯髄の神経・硬組織関連因子の解析と組織工学

（H20-22 科学研究費補助金 基盤研究C）

・組織再生法を応用した難治性脊椎感染症に対する新しい治療法

の開発 （H21-23 科学研究費補助金 基盤研究C）

・生体模倣環境尾培養によるストレス負荷細胞の親和性動態と

骨形成能 （H23-25 科学研究費補助金 基盤研究C）

・環境汚染ガスを無害化するための先進的な光触媒分解処理システ

ムの開発（ H24-26 経済産業省 戦略的基盤技術高度化支援事業）

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：生体組織由来吸収性リン酸カルシウム

傾斜機能複合材料とその作製方法

• 出願番号：3718723号

• 出願人：北海道立総合研究機構

北海道医療大学, 北見工業大学

• 発明者：赤澤敏之, 村田勝, 有末眞, 菅野亨, 小林正義

北海道立総合研究機構

本部研究企画部調整グループ 鈴木

TEL: 011-747-2806, FAX: 011-747-0211

E-mail: hq-rps＠hro. or. jp

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