選択的レーザー溶解により製造されたチタンの表面改質は、マイトジェン活性化プロテインキナーゼシグナル伝達経路を介して破骨細胞の分化を抑制した

Surface modification of titanium manufactured through selective laser melting inhibited osteoclast differentiation through mitogen-activated protein kinase signaling pathway.

• Jiamin Yang
• Xiaolin Yu
• Zhengchuan Zhang
• Ruogu Xu
• Fan Wu
• Tianlu Wang
• Yun Liu
• Jianglin Ouyang
• Feilong Deng

抄録

オーダーメイドチタンインプラントの製造に使用される選択的レーザー溶解法が普及してきている。インプラント周囲の骨吸収やオッセオインテグレーションにおいて破骨細胞が重要な役割を果たしていることに鑑み、我々は選択的レーザー溶融法で製造されたチタン表面をサンドブラスト/アルカリ加熱とサンドブラスト/酸エッチングを用いて改良し、破骨細胞の分化に及ぼす影響とそのメカニズムを検討した。表面の元素，粗さ，ぬれ性，表面形状などの特性を解析した。マウス骨髄由来の一次単球および骨髄由来の単球から誘導された破骨細胞の増殖と形態を試料上で評価した。その後、破骨細胞の分化を、タール酸耐性酸ホスファターゼ活性アッセイ、カルシトニン受容体免疫蛍光染色、破骨細胞関連遺伝子の発現により決定した。その結果、サンドブラスト/アルカリ加熱は最も水との接触角が低いナノネット構造を確立し、サンドブラスト/アルカリ加熱とサンドブラスト/酸エッチングは選択的レーザー溶融に比べて表面粗さと不均一性を有意に減少させることが示された。選択的レーザー溶融で生成したチタンの表面修飾は、in vitroで骨髄由来の単球の形態を変化させ、骨髄由来の単球の増殖と破骨細胞形成を抑制した（サンドブラスト/アルカリ加熱＞サンドブラスト/酸エッチング＞選択的レーザー溶融）。これらの表面修飾により、細胞外シグナル制御キナーゼ及びc-Jun N末端キナーゼの活性化が、天然の選択的レーザー溶融に比べて抑制された。サンドブラスト/アルカリ加熱は、腫瘍壊死因子受容体関連因子6のリクルートをさらにブロックした。これらの結果から、選択的レーザー溶解チタンのサンドブラスト/アルカリ加熱およびサンドブラスト/酸エッチングの改変は、マイトジェン活性化プロテインキナーゼシグナル伝達経路における細胞外シグナル制御キナーゼおよびc-Jun N末端キナーゼのリン酸化を抑制することで破骨細胞の分化を抑制し、ネイティブ選択的レーザー溶解インプラントの最適化のためのインプラント周囲骨吸収を低減する可能性のある有望な技術を提供することが示唆された。

Selective laser melting used in manufacturing custom-made titanium implants becomes more popular. In view of the important role played by osteoclasts in peri-implant bone resorption and osseointegration, we modified selective laser melting-manufactured titanium surfaces using sandblasting/alkali-heating and sandblasting/acid-etching, and investigated their effect on osteoclast differentiation as well as their underlying mechanisms. The properties of the surfaces, including elements, roughness, wettability and topography, were analyzed. We evaluated the proliferation and morphology of primary mouse bone marrow-derived monocytes, as well as induced osteoclasts derived from bone marrow-derived monocytes, on samples. Then, osteoclast differentiation was determined by the tartrate-resistant acid phosphatase activity assay, calcitonin receptors immunofluorescence staining and the expression of osteoclast-related genes. The results showed that sandblasting/alkali-heating established nanonet structure with the lowest water contact angle, and both sandblasting/alkali-heating and sandblasting/acid-etching significantly decreased surface roughness and heterogeneity compared with selective laser melting. Surface modifications of selective laser melting-produced titanium altered bone marrow-derived monocyte morphology and suppressed bone marrow-derived monocyte proliferation and osteoclastogenesis in vitro (sandblasting/alkali-heating>sandblasting/acid-etching>selective laser melting). These surface modifications reduced the activation of extracellular signal-regulated kinase and c-Jun N-terminal kinases compared to native-selective laser melting. Sandblasting/alkali-heating additionally blocked tumor necrosis factor receptor-associated factor 6 recruitment. The results suggested that sandblasting/alkali-heating and sandblasting/acid-etching modifications on selective laser melting titanium could inhibit osteoclast differentiation through suppressing extracellular signal-regulated kinase and c-Jun N-terminal kinase phosphorylation in mitogen-activated protein kinase signaling pathway and provide a promising technique which might reduce peri-implant bone resorption for optimizing native-selective laser melting implants.