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ナノフェーズTi6Al4Vを用いた骨芽細胞の増殖、分化、鉱物化の改善
Improved osteoblast proliferation, differentiation and mineralization on nanophase Ti6Al4V.
PMID: 21362380
抄録
背景:
これまでの研究では、従来のセラミックスや複合材料と比較して、ナノフェーズ材料上での骨芽細胞の機能が向上していることが示されています。ナノフェーズ材料は、粒子径や粒径が100nm以下であるため、骨の構成要素の寸法を模擬したユニークな材料である。しかし、従来の金属と比較して、ナノフェーズ材料と骨芽細胞との相互作用については、未だ解明されていないのが現状です。本研究の目的は、ナノ相金属（Ti6Al4V）を合成し、Ti6Al4V上での骨芽細胞の機能を評価することである。このような金属は、従来から整形外科用として広く使用されていますが、今回の研究では、このような金属を用いたナノ相金属の合成と骨芽細胞機能の評価を行いました。
BACKGROUND: Previous studies have demonstrated increased functions of osteoblasts on nanophase materials compared to conventional ceramics or composites. Nanophase materials are unique materials that simulate dimensions of constituent components of bone as they possess particle or grain sizes less than 100 nm. However, to date, interactions of osteoblasts on nanophase materials compared to conventional metals remain to be elucidated. The objective of the present in vitro study was to synthesize nanophase metals (Ti6Al4V), characterize, and evaluate osteoblast functions on Ti6Al4V. Such metals in conventional form are widely used in orthopedic applications.
方法:
本研究では、ナノフェーズTi6Al4V表面を過酷な塑性変形（SPD）原理で加工し、骨芽細胞の長期的な機能を調べることを目的とした。ラット新生児踵骨からの初代培養骨芽細胞をナノフェーズと従来のTi6Al4V基板の両方で培養し、細胞増殖、総タンパク質含量、アルカリホスファターゼ含量を調べた。1日後、3日後、7日後、10日後、14日後に細胞増殖、総タンパク質含量、アルカリホスファターゼ（ALP）活性を評価した。カルシウム沈着、タイプIコラーゲン（Col-I）、オステオカルシン（OC）、オステオポンチン（OP）の遺伝子発現、およびインスリン様成長因子-I（IGF-I）およびトランスフォーミング成長因子-β1（TGF-β1）の産生についても、14日後の培養後に調査した。
METHODS: In this work, nanophase Ti6Al4V surfaces were processed by the severe plastic deformation (SPD) principle and used to investigate osteoblast long-term functions. Primary cultured osteoblasts from neonatal rat calvaria were cultured on both nanophase and conventional Ti6Al4V substrates. Cell proliferation, total protein content, and alkaline phosphatase (ALP) activity were evaluated after 1, 3, 7, 10 and 14 days. Calcium deposition, gene expression of type I collagen (Col-I), osteocalcin (OC), osteopontin (OP) and the production of insulin-like growth factor-I (IGF-I) and transforming growth factor-beta 1 (TGF-β1) were also investigated after 14 days of culture.
結果:
ナノフェーズ上では、従来のTi6Al4Vと比較して、骨芽細胞の増殖、タンパク質合成、ALP活性などの機能が改善された。また、Col-I、OC、OP mRNAの発現は、14日培養後にナノフェーズTi6Al4V上で増加した。カルシウム沈着も同様であり、2つのTi6Al4V表面上の石灰化結節の平均数は14日後の培養後も同様であったが、ナノフェーズTi6Al4V上では非常に有意な大きさの石灰化結節が観察された。検討した成長因子のうち、TGF-β1のみがナノフェーズ表面での産生量に差が見られた。
RESULTS: Functions of osteoblasts including proliferation, synthesis of protein, and ALP activity were improved on the nanophase compared to the conventional Ti6Al4V. The expression of Col-I, OC and OP mRNA was also increased on nanophase Ti6Al4V after 14 days of culture. Calcium deposition was the same; the average number of the calcified nodules on the two Ti6Al4V surfaces was similar after 14 days of culture; however, highly significant size calcified nodules on the nanophase Ti6Al4V was observed. Of the growth factors examined, only TGF-β1 showed a difference in production on the nanophase surface.
結論:
ナノフェーズTi6Al4V表面は、骨芽細胞の増殖、分化、ミネラル化を改善し、整形外科用インプラントへの応用が検討されている。
CONCLUSION: Nanophase Ti6Al4V surfaces improve proliferation, differentiation and mineralization of osteoblast cells and should be further considered for orthopedic implant applications.