制御されたナノトポグラフィー、機械加工されたトポグラフィー、およびそれらの組み合わせが、オッセオインテグレーション中の分子活動、骨形成、生体力学的安定性に及ぼす影響を明らかにした

The effects of controlled nanotopography, machined topography and their combination on molecular activities, bone formation and biomechanical stability during osseointegration.

抄録

ナノスケールのトポグラフィーやマイクロスケールの粗さを制御したインプラントの骨界面における初期の細胞・分子活動については，これまでにも報告されている。しかし，このような表面修飾がオッセオインテグレーションの進展に及ぼす影響は，まだ明らかにされていない。本研究では，ナノスケールのトポグラフィー，マイクロスケールの粗さ，あるいはその両方を組み合わせたインプラントにおいて，分子イベントと，組織学的および生体力学的な骨界面の発達について調べた．コロイドリソグラフィーを用いて，制御されたナノパターニング（75nmの突起）のあるものとないものの両方のチタンインプラントを作製し，化学的性質を統一するために薄いチタン層でコーティングした．このインプラントをラットの脛骨に挿入し，6日後，21日後，28日後に抜去トルク（RTQ）の測定，分子解析，組織学的解析を行った。その結果，ナノトポグラフィをマイクロラフ加工した表面に重ねることで，RTQが早期に上昇し，6日後および21日後のインプラントの安定性が向上することがわかった。二元配置のMANOVAにより、RTQの増加は、マイクロスケールの粗さと、ナノスケールとマイクロスケールのトポグラフィの組み合わせに影響されることが明らかになった。さらに、ナノパターンを組み合わせた加工面では、骨-インプラント接触（BIC）の増加が観察されたが、MANOVAの結果から、BICの増加は主にマイクロスケールの粗さに依存していることが示唆された。分子レベルでは，ナノトポグラフィは，それ自体，およびマイクロスケールの粗さとの相乗効果により，炎症性サイトカインであるTNF-α（tumor necrosis factor alpha）の発現を抑制した。結論として，制御されたナノトポグラフィがマイクロラフ加工されたインプラントに重畳することで，オッセオインテグレーション時のインプラントの安定性が促進された。ナノスケールが引き起こすメカニズムには、チタン製インプラント部位での炎症反応の減衰が関与している可能性がある。重要性の説明：オッセオインテグレーションにおけるインプラントのマイクロスケールとナノトポグラフィーを組み合わせた特徴の役割については、まだ十分に理解されていない。我々は，コロイドリソグラフィー技術を用いて，マイクロスケールのトポグラフィーを持つスクリュー形状のインプラントに，秩序立ったナノトポグラフィーパターンを重ね合わせた。中間期および後期の分子、骨とインプラントの接触および除去トルクの反応をin vivoで分析した。マイクロスケールのトポグラフィーと、ナノスケールとマイクロスケールのトポグラフィーの組み合わせにより、インプラントの安定性が向上することがわかった。骨とインプラントの接触の増加は，主にマイクロスケールの粗さに依存していたが，ナノトポグラフィは，それ自体，およびマイクロスケールの粗さとの相乗効果により，炎症性の腫瘍壊死因子α（TNF-α）の発現を抑制した。以上のことから，マイクロスケールおよびナノパターンは，生体内の分子，形態および生体力学的なインプラント-組織プロセスに対して，個別的および相乗的な効果をもたらすことが明らかになった。

The initial cellular and molecular activities at the bone interface of implants with controlled nanoscale topography and microscale roughness have previously been reported. However, the effects of such surface modifications on the development of osseointegration have not yet been determined. This study investigated the molecular events and the histological and biomechanical development of the bone interface in implants with nanoscale topography, microscale roughness or a combination of both. Polished and machined titanium implants with and without controlled nanopatterning (75-nm protrusions) were produced using colloidal lithography and coated with a thin titanium layer to unify the chemistry. The implants were inserted in rat tibiae and subjected to removal torque (RTQ) measurements, molecular analyses and histological analyses after 6, 21 and 28 days. The results showed that nanotopography superimposed on microrough, machined, surfaces promoted an early increase in RTQ and hence produced greater implant stability at 6 and 21 days. Two-way MANOVA revealed that the increased RTQ was influenced by microscale roughness and the combination of nanoscale and microscale topographies. Furthermore, increased bone-implant contact (BIC) was observed with the combined nanopatterned machined surface, although MANOVA results implied that the increased BIC was mainly dependent on microscale roughness. At the molecular level, the nanotopography, per se, and in synergy with microscale roughness, downregulated the expression of the proinflammatory cytokine tumor necrosis factor alpha (TNF-α). In conclusion, controlled nanotopography superimposed on microrough machined implants promoted implant stability during osseointegration. Nanoscale-driven mechanisms may involve attenuation of the inflammatory response at the titanium implant site. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: The role of combined implant microscale and nanotopography features for osseointegration is incompletely understood. Using colloidal lithography technique, we created an ordered nanotopography pattern superimposed on screwshaped implants with microscale topography. The midterm and late molecular, bone-implant contact and removal torque responses were analysed in vivo. Nanotopography superimposed on microrough, machined, surfaces promoted the implant stability, influenced by microscale topography and the combination of nanoscale and microscale topographies. Increased bone-implant contact was mainly dependent on microscale roughness whereas the nanotopography, per se, and in synergy with microscale roughness, attenuated the proinflammatory tumor necrosis factor alpha (TNF-α) expression. It is concluded that microscale and nanopatterns provide individual as well as synergistic effects on molecular, morphological and biomechanical implant-tissue processes in vivo.