リン酸オクタカルシウム骨補填材の材料設計：溶解性の向上と骨形成性の向上

The material design of octacalcium phosphate bone substitute: increased dissolution and osteogenecity.

抄録

リン酸オクタカルシウム（OCP）は、骨アパタイト結晶の前駆体として提唱されてきた。最近の研究では、合成OCPは骨芽細胞、骨細胞、破骨細胞などの骨組織関連細胞を活性化する能力に由来する骨代替材料として、高い骨伝導性を示すことが示されている。OCPは、生理的条件下でOCP-アパタイト相変換を行うことで、その活性化能が高まるという実験結果が蓄積されている。OCPの変換は、Caイオンの取り込みと無機リン酸イオンの放出を伴うCa欠損ハイドロキシアパタイトへの加水分解によって進行し、それに伴って固体Ca/Pモル比、比表面積、血清タンパク質吸着親和力が増加する。ゼラチンとの共沈で調製したOCP格子内に高密度の端部転位を導入することで、加水分解反応時のイオン溶解速度を制御しました。この溶解促進により、OCPの材料生分解速度および骨形成能の程度が強まる。OCP材料の骨形成性を制御するためには、溶解促進に対する生分解速度を制御することが重要であると考えられる。本研究では、OCPの構造欠陥に着目し、OCP相の準安定性が生分解性を調節し、その後、新生骨形成に至るまで、イオン溶解の効果を検討する。意義：リン酸オクタカルシウム（OCP）は、破骨細胞による吸収と骨芽細胞による新生骨の形成によって生分解される、骨伝導性の高い材料として認識されています。しかし、OCPの分解速度を高めて元の骨伝導性を維持したり、現在の特性よりも優れた生理活性を獲得したりすれば、早期に新しい骨に置き換わることが期待できる。足場材による細胞導入や成長因子添加は組織工学の標準的な方法であるが、OCPの格子に転位を導入することで材料活性を増強することができる。本総説では、ゼラチンとの共沈により得られたOCPを骨代替材料として活性化するための構造欠陥導入の効果と、骨代替性能向上のメカニズムについてまとめたものである。

Octacalcium phosphate (OCP) has been advocated as a precursor of bone apatite crystals. Recent studies have shown that synthetic OCP exhibits highly osteoconductive properties as a bone substitute material that stems from its ability to activate bone tissue-related cells, such as osteoblasts, osteocytes, and osteoclasts. Accumulated experimental evidence supports the proposition that the OCP-apatite phase conversion under physiological conditions increases the stimulatory capacity of OCP. The conversion of OCP progresses by hydrolysis toward Ca-deficient hydroxyapatite with Ca ion incorporation and inorganic phosphate ion release with concomitant increases in the solid Ca/P molar ratio, specific surface area, and serum protein adsorption affinity. The ionic dissolution rate during the hydrolysis reaction was controlled by introducing a high-density edge dislocation within the OCP lattice by preparing it through co-precipitation with gelatin. The enhanced dissolution intensifies the material biodegradation rate and degree of osteogenecity of OCP. Controlling the biodegradation rate relative to the dissolution acceleration may be vital for controlling the osteogenecity of OCP materials. This study investigates the effects of the ionic dissolution of OCP, focusing on the structural defects in OCP, as the enhanced metastability of the OCP phase modulates biodegradability followed by new bone formation. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: Octacalcium phosphate (OCP) is recognized as a highly osteoconductive material that is biodegradable by osteoclastic resorption, followed by new bone formation by osteoblasts. However, if the degradation rate of OCP is increased by maintaining the original osteoconductivity or acquiring a bioactivity better than its current properties, then early replacement with new bone can be expected. Although cell introduction or growth factor addition by scaffold materials is the standard method for tissue engineering, material activity can be augmented by introducing dislocations into the lattice of the OCP. This review article summarizes the effects of introducing structural defects on activating OCP, which was obtained by co-precipitation with gelatin, as a bone substitute material and the mechanism of improved bone replacement performance.