組織再生を促進するための皮質骨と海綿骨のシミュレーション

Simulation of Cortical and Cancellous Bone to Accelerate Tissue Regeneration.

抄録

さまざまな組織は、生物学的機能を支えるために複雑な異方性構造を有している。このような複雑な構造を模倣することは、組織再生を支援する生体材料の設計において依然として課題である。ここでは、様々な種類の絹ナノファイバーにヒントを得て、この課題に向けて複合材料戦略を追求した。アモルファスシルクナノファイバーとβシートリッチシルクナノファイバーを同じ溶液中で別々に制御するために、製造方法の組み合わせを利用した。次に、これら2種類の構造のシルクナノファイバーを含む水溶液を、電場とエチレングリコールジグリシジルエーテル（EGDE）で同時に処理した。この条件下では、混合物中のβシートに富むシルクナノファイバーは電場に反応し、非晶質ナノファイバーはEGDEとの架橋プロセスで活性を示した。その結果、複合的な骨誘導ニッチとして、皮質骨や海綿骨のような骨バイオマテリアルを模倣した異方性構造を持つクライオゲルが調製された。研究により、クライオゲルの機械的な手がかりが幹細胞の骨分化を誘導する一方、クライオゲル内部の異方性がマクロファージの免疫反応に影響を与えることが明らかになった。また、これらの生理活性クライオゲルは、炎症、血管新生、骨形成反応の調節を通じて骨再生の改善を促し、組織再生に有益な複雑な異方性構造を持つ生理活性マトリックスを開発する効果的な戦略を示唆している。

Different tissues have complex anisotropic structures to support biological functions. Mimicking these complex structures remains a challenge in biomaterials designs in support of tissue regeneration. Here, inspired by different types of silk nanofibers, a composite materials strategy was pursued towards this challenge. A combination of fabrication methods was utilized to achieve separate control of amorphous and beta-sheet rich silk nanofibers in the same solution. Aqueous solutions containing these two structural types of silk nanofibers were then simultaneously treated with an electric field and with ethylene glycol diglycidyl ether (EGDE). Under these conditions, the beta-sheet rich silk nanofibers in the mixture responded to the electric field while the amorphous nanofibers were active in the crosslinking process with the EGDE. As a result, cryogels with anisotropic structures were prepared, including mimics for cortical- and cancellous-like bone biomaterials as a complex osteoinductive niche. studies revealed that mechanical cues of the cryogels induced osteodifferentiation of stem cells while the anisotropy inside the cryogels influenced immune reactions of macrophages. These bioactive cryogels also stimulated improved bone regeneration through modulation of inflammation, angiogenesis and osteogenesis responses, suggesting an effective strategy to develop bioactive matrices with complex anisotropic structures beneficial to tissue regeneration.