ハイドロキシアパタイトとフルオラパタイト-骨足場製造のベースとしてどちらのバイオセラミックが優れているか-包括的比較研究

Hydroxyapatite or Fluorapatite-Which Bioceramic Is Better as a Base for the Production of Bone Scaffold?-A Comprehensive Comparative Study.

抄録

ハイドロキシアパタイト（HAP）は最も一般的なリン酸カルシウムセラミックで、骨足場の無機成分などとして生物医学的応用に使用されている。しかし、近年、骨組織工学の分野では、フルオロアパタイト（FAP）が非常に注目されている。本研究の目的は、作製したHAPおよびFAPベースの骨足場の生物医学的可能性を包括的に比較評価し、どちらのバイオセラミックが再生医療への応用に優れているかを評価することであった。その結果、両バイオマテリアルは相互に連結したマクロポーラスな微細構造を有し、生理的環境や破骨細胞を介した骨吸収プロセスを模倣した酸性条件下で、ゆっくりと徐々に分解する傾向があることが示された。意外なことに、FAPを用いたバイオマテリアルは、HAPを用いたバイオマテリアルよりも生分解性が著しく高く、高い生体吸収性を示すことが明らかとなった。重要なことは、バイオセラミックの種類にかかわらず、バイオマテリアルは同程度の生体適合性と骨伝導性を示したことである。また、両足場とも表面にアパタイトを形成する能力があり、良好なインプラントのオッセオインテグレーションに不可欠な生物活性を有していることが証明された。さらに、生物学的実験により、試験した骨スカフォールドは無毒であり、その表面は細胞増殖と骨形成分化を促進することが示された。さらに、バイオマテリアルは、過剰な活性酸素種（ROS）や活性窒素種（RNS）を生成しないため、免疫細胞に対する刺激作用がなく、移植後の炎症反応のリスクが低いことが示されました。以上の結果から、FAPおよびHAPベースの足場は、いずれも適切な微細構造と高い生体適合性を有し、骨再生用途に有望なバイオマテリアルであることがわかった。しかし、FAPベースのバイオマテリアルは、HAPベースのスキャフォールドよりも生体吸収性が高く、これは、新しく形成された骨組織で骨スキャフォールドを徐々に置き換えることができるため、臨床的観点から非常に重要な特性である。

Hydroxyapatite (HAP) is the most common calcium phosphate ceramic that is used in biomedical applications, e.g., as an inorganic component of bone scaffolds. Nevertheless, fluorapatite (FAP) has gained great attention in the area of bone tissue engineering in recent times. The aim of this study was a comprehensive comparative evaluation of the biomedical potential of fabricated HAP- and FAP-based bone scaffolds, to assess which bioceramic is better for regenerative medicine applications. It was demonstrated that both biomaterials had a macroporous microstructure, with interconnected porosity, and were prone to slow and gradual degradation in a physiological environment and in acidified conditions mimicking the osteoclast-mediated bone resorption process. Surprisingly, FAP-based biomaterial revealed a significantly higher degree of biodegradation than biomaterial containing HAP, which indicated its higher bioabsorbability. Importantly, the biomaterials showed a similar level of biocompatibility and osteoconductivity regardless of the bioceramic type. Both scaffolds had the ability to induce apatite formation on their surfaces, proving their bioactive property, that is crucial for good implant osseointegration. In turn, performed biological experiments showed that tested bone scaffolds were non-toxic and their surfaces promoted cell proliferation and osteogenic differentiation. Moreover, the biomaterials did not exert a stimulatory effect on immune cells, since they did not generate excessive amounts of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS), indicating a low risk of inflammatory response after implantation. In conclusion, based on the obtained results, both FAP- and HAP-based scaffolds have an appropriate microstructure and high biocompatibility, being promising biomaterials for bone regeneration applications. However, FAP-based biomaterial has higher bioabsorbability than the HAP-based scaffold, which is a very important property from the clinical point of view, because it enables a progressive replacement of the bone scaffold with newly formed bone tissue.