臨床用PMMA骨セメントにキトサンマイクロゲルを相互浸透させ、強靭性と生理活性を相乗的に向上させた

Clinical PMMA bone cement enhanced by interpenetrating chitosan microgel: Synergistic toughness and bioactivity.

抄録

ポリメチルメタクリレート（PMMA）骨セメントは、整形外科臨床において広く利用されてきた。しかし、その長期使用には、固有のもろさや生理活性の制限など、いくつかの課題が生じている。これらの制限を克服するために、本研究では、PMMAの強靭性と生理活性を高めるために、in situ重合によってキトサン・マイクロゲルをPMMAに組み込むことを検討した。驚くべきことに、0.5wt%のキトサン・マイクロゲルを添加すると、PMMAの機械的性能が著しく向上し、破断伸度が150%増加し、引張靭性が240%向上した。これらの向上は、レオロジー分析とSEM観察によって裏付けられ、PMMAとキトサン・マイクロゲルの間に相互侵入ポリマーネットワーク（IPN）が形成されていることが明らかになった。このネットワークは、PMMA鎖のセグメント移動性を効果的に制限し、機械的応力下でのエネルギー散逸を促進し、全体的な靭性を向上させた。PMMAベースの骨セメントに拡張すると、キトサン・マイクロゲル修飾複合材料は、骨接着性や耐疲労性の向上など、さらなる機械的改良を示した。In vivoでの生物学的評価では、キトサンマイクロゲルが骨再生を促進し、骨密度（BMD）を増加させることが確認された。これらの知見を総合すると、次世代型多機能PMMAベース骨セメントの開発に向けた容易なルートとして、本戦略の開発に有望な基盤を提供するものである。

Polymethyl methacrylate (PMMA) bone cement has been widely utilized in clinical orthopedics. However, several challenges have arisen with its long-term application, including inherent brittleness and limited bioactivity. To overcome these limitations, this study explored the incorporation of chitosan microgels into PMMA via in situ polymerization to enhance its toughness and bioactivity. Remarkably, the addition of 0.5 wt% chitosan microgel significantly improved the mechanical performance of PMMA, yielding a 150% increase in elongation at break and a 240% enhancement in tensile toughness. These enhancements were supported by rheological analyses and SEM observations, which revealed the formation of an interpenetrating polymer network (IPN) between PMMA and the chitosan microgels. This network effectively restricted the segmental mobility of PMMA chains and facilitated energy dissipation under mechanical stress, thereby improving overall toughness. When extended to PMMA-based bone cement, the chitosan microgel-modified composites exhibited further mechanical improvements, including enhanced bone adhesion and fatigue resistance. In vivo biological evaluations confirmed that chitosan microgels accelerated bone regeneration and increased bone mineral density (BMD). Collectively, these findings provide a promising foundation for the development of strategy as a facile route toward the development of next-generation, multifunctional PMMA-based bone cements.