骨組織再生を促進するためのキャンセル性骨類似バイオミメティック構造を有する生体表面コーティングチタン足場

Bio-surface Coated Titanium Scaffolds with Cancellous Bone-like Biomimetic Structure for Enhanced Bone Tissue Regeneration.

• Bingjun Zhang
• Jia Li
• Lei He
• Hao Huang
• Jie Weng

抄録

チタン（Ti）を用いたインプラントでは、生体反応の遅さ、オッセオインテグレーション率の低さ、細菌感染によるインプラントのゆるみや破損が問題となっていることを踏まえ、糖球が蓄積したテンプレートを気孔形成剤として用いたキャンセル性骨様バイオミメティックTi足場を設計した。さらに、表面鉱物化プロセスの改良とイガイ類のような接着機構に基づき、バンコマイシン（Van）を担持したポリドパミン（pDA）修飾アルブミンナノ粒子（Van-pBNPs）と細胞接着ペプチド（GFOGER）を添加したシリコンドープリン酸カルシウム複合コーティング（Van-pBNPs/pep@pSiCaP）をTi足場の表面に構築し、天然骨マトリックスの細胞外マトリックス（ECM）微小環境を模倣して、より大きな組織再生を誘導した。本研究では、この多孔質チタン足場が、細胞の早期接着・増殖を明確に促進するとともに、骨髄間質細胞（BMSC）における局所接着（FA）の形成を促進することで、細胞膜上のα2β1インテグリン受容体の発現を活性化し、骨形成細胞の分化を促進することを明らかにしました。また、表皮ブドウ球菌の付着・増殖を効果的に抑制し、良好な抗菌性を示しました。さらに、Van-pBNPs/pep@pSiCaP-Ti足場は、生体内での骨形成能を向上させ、生理活性成分と天然の海綿状骨のようなマクロ構造が寄与していることを示した。本研究は、骨再生と感染症予防を同時に促進するための抗菌性と骨誘導性の相乗効果を有する金属インプラントを設計するための構造的・機能的なバイオインスパイアード戦略を提供するものである。

In view of the fact that titanium (Ti)-based implants still face the problem of loosening and failure of the implants caused by the slow biological response, the low osseointegration rate and the implant bacterial infection in clinical application, we designed a cancellous bone-like biomimetic Ti scaffold using the template accumulated by sugar spheres as a pore-forming agent. And based on a modified surface mineralization process and mussel-like adhesion mechanism, a silicon-doped calcium phosphate composite coating (Van-pBNPs/pep@pSiCaP) with Vancomycin (Van)-loaded polydopamine (pDA)-modified albumin nanoparticles (Van-pBNPs) and cell adhesion peptides (GFOGER) was constructed on the surface of Ti scaffold for mimicking the extracellular matrix (ECM) microenvironment of natural bone matrix to induce greater tissue regeneration. The in vitro study demonstrated that this porous Ti scaffold with functional bio-surface could distinctly facilitate cell early adhesion and spreading, and activate the expression of α2β1 integrin receptor on the cell membrane through promoting the formation of focal adhesions (FAs) in bone marrow stromal cells (BMSCs), thus mediating greater osteogenic cell differentiation. And it could also effectively inhibit the adhesion and growth of Staphylococcus epidermidis, exhibiting good antibacterial properties. Moreover, the Van-pBNPs/pep@pSiCaP-Ti scaffolds showed enhanced in vivo bone-forming ability due to the contributions of bioactive chemical components and the natural cancellous bone-like macrostructure. This work offers a promising structural and functional bio-inspired strategy for designing metal implants with desirable ability of osteoinduction synergistically with antibacterial efficacy for promoting bone regeneration and infection prevention simultaneously.

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