臨界を超えたサイズの欠陥再建のための新しいハイドロキシアパタイトベースの骨代替材料の開発：物理化学的および生物学的特性の評価と、ウサギの尺骨再建におけるコンセプトの証明

Developing a novel resorptive hydroxyapatite-based bone substitute for over-critical size defect reconstruction: physicochemical and biological characterization and proof of concept in segmental rabbit's ulna reconstruction.

• Milutin Micic
• Djordje Antonijevic
• Sanja Milutinovic-Smiljanic
• Dijana Trisic
• Bozana Colovic
• Dejana Kosanovic
• Bogomir Prokic
• Jugoslav Vasic
• Slavoljub Zivkovic
• Jelena Milasin
• Vesna Danilovic
• Marija Djuric
• Vukoman Jokanovic

抄録

本研究の目的は、セグメント骨切り再建のための新規ハイドロキシアパタイト（HAP）をベースとした生物活性骨補填材料を開発することであった。ウサギ尺骨のCTスキャンから得られた3Dモデルと、自然骨欠損部の解剖学的形状を模倣した骨補填材のグラジエント3Dプリントを用いて、ナノハイドロキシアパタイト（nHAP）とポリラクチド-コ-グリコリド（PLGA）コーティングを用いて、カスタマイズされた3D（3次元）骨構造体を製造した。工学的に設計されたコンストラクトは、総気孔率64％、平均気孔サイズ256μmを有する、骨再生に成功するための適切なマイクロアーキテクチャーデザインを明らかにした。レントゲン写真とマイクロCT分析では、欠損部の中央部に非吸収性のコンストラクトの小さな領域を持つ再建された尺骨の全長にわたって新しい骨が付着していることが示されました。組織学的解析では、内軟骨型と内膜型の骨化を伴う新しい骨形成が認められた。免疫組織化学的解析により、新たに形成された骨の中に骨形成指標である骨形態形成タンパク質（BMP）、オステオカルシン（OCN）、オステオポンチン（OPN）が存在することが明らかになった。製造されたパーソナライズされたコンストラクトは、臨床的に適切な長さのスケールでパーソナライズされた骨再建のための機能性と可能性を調整することができる「スマートな」応答性のある生体材料として機能する。

The aim of this study was to develop novel hydroxyapatite (HAP)-based bioactive bone replacement materials for segmental osteotomy reconstruction. Customized three-dimensional (3D) bone construct was manufactured from nanohydroxyapatite (nHAP) with poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) coating using 3D models derived from the computed tomography (CT) scanning of the rabbit's ulna and gradient 3D printing of the bone substitute mimicking the anatomical shape of the natural bone defect. Engineered construct revealed adequate micro-architectural design for successful bone regeneration having a total porosity of 64% and an average pore size of 256 μm. Radiography and micro-CT analysis depicted new bone apposition through the whole length of the reconstructed ulna with a small area of non-resorbed construct in the central area of defect. Histological analysis revealed new bone formation with both endochondral and endesmal type of ossification. Immunohistochemistry analysis depicted the presence of bone formation indicators - bone morphogenetic protein (BMP), osteocalcin (OCN) and osteopontin (OPN) within newly formed bone. Manufactured personalized construct acts as a "smart" responsive biomaterial capable of modulating the functionality and potential for the personalized bone reconstruction on a clinically relevant length scale.