[論文レビュー] Fabrication and in vitro characterization of three-dimensional organic/inorganic scaffolds by robocasting

J. Russias, Eduardo Saiz+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Bone Tissue Engineering Materials参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ポリラクタイト（PLA）またはポリカプロラクトン（PCL）をマトリックスとして用い、ヒドロキシアpatサイト（最大70 wt%）またはバイオアクティブガラスを含む3次元ハイブリッド有機/無機スキャフォールドを室温でロボキャスティングすることで、制御された穴あき構造（200–500 µm）を実現した。スキャフォールドは異方性の機械的挙動を示し、高い剛性と最小限の破壊性を併せ持つ。模擬体液中でも構造的整合性を維持し、バイオアクティブガラス含有スキャフォールドは20日後にアパタイト層を形成した。

ABSTRACT

A key issue for the fabrication of scaffolds for tissue engineering is the development of processing techniques flexible enough to produce materials with a wide spectrum of solubility (bioresorption rates) and mechanical properties matching those of calcified tissues. These techniques must also have the capability of generating adequate porosity to further serve as a framework for cell penetration, new bone formation, and subsequent remodeling. In this study, we show how hybrid organic/inorganic scaffolds with controlled microstructures can be built using robotic assisted deposition at room temperature. Polylactide or polycaprolactone scaffolds with pore sizes ranging between 200-500 μm and hydroxyapatite contents up to 70 wt % were fabricated. Compressive tests revealed an anisotropic behavior of the scaffolds, strongly dependent on their chemical composition. The inclusion of an inorganic component increased their stiffness but they were not brittle and could be easily machined even for ceramic contents up to 70 wt%. The mechanical properties of hybrid scaffolds did not degrade significantly after 20 days in simulated body fluid. However, the stiffness of pure polylactide scaffolds increased drastically due to polymer densification. Scaffolds containing bioactive glasses were also printed. After 20 days in simulated body fluid they developed an apatite layer on their surface.

研究の動機と目的

• 石灰化組織と一致する可変な生分解速度および機械的特性を有する組織工学用スキャフォールドのための柔軟なプロセシング技術の開発。
• 細胞の浸透および新規骨形成に適した十分な多孔質構造を有するスキャフォールドの作成という課題の解決。
• 室温でのロボットデポジションを用いた、制御されたマイクロ構造を有するハイブリッドスキャフォールドの作成。
• 模擬生理的条件下でのスキャフォールドの機械的安定性およびバイオアクティビティの評価。
• 無機成分（ヒドロキシアパタイト、バイオアクティブガラス）がスキャフォールドの性能および劣化挙動に与える影響の調査。

提案手法

• ロボットデポジション（ロボキャスティング）を用いて、室温下で3次元スキャフォールドをプロセシングし、幾何形状および多孔質構造の精密制御を実現した。
• 有機マトリックスとしてポリラクタイト（PLA）またはポリカプロラクトン（PCL）を用い、無機成分としてヒドロキシアパタイト（最大70 wt%）またはバイオアクティブガラスを組み込んだ。
• 細胞の浸透および組織の成長を支援するため、穴あきサイズを200–500 µmの範囲で体系的に制御した。
• 圧縮試験による機械的特性評価により、組成およびセラミック含有量に応じた異方性および剛性の変化を評価した。
• 20日間の模擬体液（SBF）中での試験により、構造的安定性、表面反応性およびアパタイト形成を評価した。
• 表面分析技術により、バイオアクティブガラス含有スキャフォールドがSBF露出後にアパタイト層を形成していることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボキャスティングは室温下で、調整可能な多孔質構造および制御されたマイクロ構造を有する3次元ハイブリッドスキャフォールドを製造可能か？
• RQ2 ヒドロキシアパタイトまたはバイオアクティブガラスの含有が、有機/無機スキャフォールドの機械的特性および異方性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 長時間模擬体液に露出した後のハイブリッドスキャフォールドの機械的安定性はいかほどか？
• RQ4 バイオアクティブガラスの含有が、SBF中でスキャフォールド表面にアパタイト層を形成させるか？
• RQ5 ポリラクタイトのみからなるスキャフォールドの機械的挙動は、SBFに浸漬した後にポリマーの密度増加によりどのように変化するか？

主な発見

• ロボキャスティングにより、200〜500 µmの穴あきサイズおよび最大70 wt%のヒドロキシアパタイト含有量を有する3次元スキャフォールドのプロセシングが可能となった。
• 圧縮試験により、異方性の機械的挙動が確認され、無機成分含有量の増加に伴い剛性が顕著に向上したが、破壊性は低く、機械的加工が可能であった。
• 70 wt%のヒドロキシアパタイト含有スキャフォールドは、20日間の模擬体液中でも機械的整合性を維持し、顕著な劣化は認めなかった。
• 純粋なポリラクタイトスキャフォールドは、20日間のSBF露出後にポリマーの密度増加により剛性が著しく増加した。
• バイオアクティブガラス含有スキャフォールドは、20日間のSBF露出後に表面にアパタイト層を形成したことが確認され、強いバイオアクティビティを示した。
• 20日間のSBF露出後もハイブリッドスキャフォールドの機械的特性は顕著に損なわれず、長期的な組織工学的応用に適した安定性を確認した。