ナノグラフェン酸化物修飾チタンインプラント表面の骨形成促進におけるFAK/P38シグナル伝達経路の関与

Involvement of FAK/P38 Signaling Pathways in Mediating the Enhanced Osteogenesis Induced by Nano-Graphene Oxide Modification on Titanium Implant Surface.

• Qingfan Li
• Zuolin Wang

抄録

背景:

チタンインプラントは歯科や整形外科で広く使用されています。しかし、チタンの骨吸収性には限界があり、オッセオインテグレーションが不十分であったり、遅れたりして、インプラント治療の失敗につながる可能性があります。そのため、既存のインプラントのオッセオインテグレーションを促進するために、チタン表面の適切な改良が追求されています。

Background: Titanium implants are widely used in dental and orthopedic medicine. Nevertheless, there is limited osteoinductive capability of titanium leading to a poor or delayed osseointegration, which might cause the failure of the implant therapy. Therefore, appropriate modification on the titanium surface for promoting osseointegration of existing implants is still pursued.

目的:

酸化グラフェン（GO）は、インプラント表面と細胞間の相互作用を調節するために、インプラント表面の生体機能化を行うための有望な候補であり、その目的は、優れた骨誘導性を有するGO修飾チタンインプラント表面を作製し、その生物学的メカニズムをさらに解明することである。本研究の目的は、優れた骨形成能を有するチタン製インプラント表面にグラフェン酸化物（GO）を修飾し、その生物学的メカニズムをさらに解明することにあります。

Purpose: Graphene oxide (GO) is a promising candidate to perform implant surface biofunctionalization for modulating the interactions between implant surface and cells. So the objective of this study was to fabricate a bioactive GO-modified titanium implant surface with excellent osteoinductive potential and further investigate the underlying biological mechanisms.

材料と方法:

まず、対照群として大粒子サンドブラストとアシッドエッチング（SLA、臨床現場で一般的に使用されている）表面を開発し、超音波霧化スプレー技術を用いてSLA表面にナノ-GOを堆積させ、SLA/GO群を作製した。ラット骨髄間葉系幹細胞（BMSCs）応答性挙動に対する効果をin vitroで評価し、その基礎となる生物学的メカニズムをさらに系統的に検討した。さらに、生体内での骨形成能を評価した。

Materials and Methods: The large particle sandblasting and acid etching (SLA, commonly used in clinical practice) surface as a control group was first developed and then the nano-GO was deposited on the SLA surface via an ultrasonic atomization spraying technique to create the SLA/GO group. Their effects on rat bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) responsive behaviors were assessed in vitro, and the underlying biological mechanisms were further systematically investigated. Moreover, the osteogenesis performance in vivo was also evaluated.

結果:

その結果、チタン基板上にGOコーティングを形成することに成功し、SLA表面の親水性とタンパク質吸着能を向上させることができた。その結果、GO修飾表面は、SLA表面と比較して、細胞の接着と拡散を促進し、in vitroでのBMSCの細胞増殖と骨形成分化を有意に改善することが示された。さらに、FAK/P38シグナル伝達経路が骨形成分化に関与していることが明らかになり、GO修飾表面上での局所接着（ビンキュリン）の発現量が増加した。また、ラットの大腿骨にGO修飾インプラントを挿入した際の骨再生能力の向上も観察され、GOコーティングが生体内でのオッセオインテグレーションと骨形成を促進することが確認されました。

Results: The results showed that GO coating was fabricated on the titanium substrates successfully, which endowed SLA surface with the improved hydrophilicity and protein adsorption capacity. Compared with the SLA surface, the GO-modified surface favored cell adhesion and spreading, and significantly improved cell proliferation and osteogenic differentiation of BMSCs in vitro. Furthermore, the FAK/P38 signaling pathways were proven to be involved in the enhanced osteogenic differentiation of BMSCs, accompanied by the upregulated expression of focal adhesion (vinculin) on the GO coated surface. The enhanced bone regeneration ability of GO-modified implants when inserted into rat femurs was also observed and confirmed that the GO coating induced accelerated osseointegration and osteogenesis in vivo.

結論:

チタンインプラント表面へのGO修飾は、FAK/P38シグナル伝達経路を介した迅速な骨インプラントインテグレーションへの応用が期待されています。

Conclusion: GO modification on titanium implant surface has potential applications for achieving rapid bone-implant integration through the mediation of FAK/P38 signaling pathways.

© 2020 Li and Wang.