模擬体液中でバイオミメティック処理したジルコニアインプラントディスクの表面特性とヒト幹細胞の挙動

Surface Characterization and Human Stem Cell Behaviors of Zirconia Implant Disks Biomimetic-Treated in Simulated Body Fluid.

• Hongxuan Quan
• Yoon-Kyung Park
• Seong-Kyun Kim
• Seong-Joo Heo
• Jai-Young Koak
• Jung-Suk Han
• Joo-Hee Lee

抄録

目的:

本研究では、模擬体液（SBF）中のジルコニア表面へのバイオミメティック堆積の効果を調べ、SBF処理したジルコニア円盤上でのヒト骨髄間葉系幹細胞の増殖と分化を評価した。

PURPOSE: This study investigated the effects of biomimetic deposition on a zirconia surface in simulated body fluid (SBF) and assessed the proliferation and differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells on the SBF-treated zirconia disks.

材料と方法:

小久保のレシピに従って補正ＳＢＦを調製した。イットリウム酸化物安定化正方晶ジルコニア多結晶円盤を80枚用意し、2つのグループに分けた。(1)SBF処理を施した試験群と、(2)無処理の対照群に分けた。ジルコニア円盤をSBFに36.5℃で1, 4, 7, 14日間浸漬し、表面形態を分析することでハイドロキシアパタイト(HA)の析出を確認した。HA形成のより詳細な検証のために、7日間処理した円盤の表面粗さ、組成及び結晶化を解析した。ヒト骨髄間葉系幹細胞を用いて、7日間処理したジルコニア円盤の細胞増殖、アルカリホスファターゼ活性、骨芽細胞遺伝子発現をさらに評価した。

MATERIALS AND METHODS: Corrected SBF was prepared according to Kokubo's recipe. Eighty yttrium oxide-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline disks were prepared and divided into two groups: (1) the test group with SBF-treated disks and (2) the control group with nontreated disks. Zirconia disks were soaked in SBF for 1, 4, 7, and 14 days at 36.5°C, and the hydroxyapatite (HA) precipitation was verified by analyzing the surface morphology. For more in-depth validation of HA formation, the surface roughness, composition, and crystallization of the 7-day treated disks were analyzed. Human bone marrow mesenchymal stem cells were used to further evaluate cell proliferation, alkaline phosphatase activity, and osteoblast gene expression on the 7-day treated zirconia disks.

結果:

浸漬時間が異なると、ディスクの表面の形態が異なってきた。SBFの浸漬時間が長くなるにつれて、HAの被覆量は徐々に増加し、7日目には均一に被覆された。表面粗さは、2群間で差がなかった（P > .05）。細胞増殖は、SBF処理した円盤の方が高かった（P < 0.05）。9日目には、アルカリホスファターゼ活性はSBF処理した円盤で高かった（P < 0.05）。アルカリホスファターゼ染色は、SBF処理した円盤で有意であった(P < 0.05)。遺伝子研究の結果、アルカリホスファターゼとオステオカルシンはSBF処理した円盤でより高い発現を示したが(P < 0.05)、コラーゲンタイプIとラント関連転写因子2は両群間で有意差を示さなかった(P > 0.05)。

RESULTS: Disks showed different surface morphologies after soaking for different time periods. As the SBF soaking time increased, the amount of HA coverage increased gradually, uniformly covering the disks by day 7. There was no difference in surface roughness between the two groups (P > .05). Cell proliferation was higher on the SBF-treated disks (P < .05). At 9 days, alkaline phosphatase activity was higher on the SBF-treated disks (P < .05). Alkaline phosphatase staining was significant on the SBF-treated disks (P < .05). A gene study revealed that alkaline phosphatase and osteocalcin showed higher expression in SBF-treated disks (P < .05); however, collagen type I and runt-related transcription factor 2 did not show significant differences between the two groups (P > .05).

結論:

本研究では、バイオミメティックデポジションがジルコニアディスク上のHAの形成に影響を与えることを実証した。SBF処理したジルコニアディスクの細胞付着、増殖、分化は非処理ディスクよりも優れており、SBF処理ジルコニアインプラントが長期的な臨床的価値を持つことが示された。

CONCLUSION: This study demonstrated that biomimetic deposition has an effect on the formation of HA on zirconia disks. The cell attachment, proliferation, and differentiation of SBF-treated zirconia disks was superior to that of nontreated disks, which indicates that SBF-treated zirconia implants have long-term clinical value.