チタン

Scientific Reports volume 13、記事番号: 470 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

優れた機械的特性と高い生体適合性を備えた新しい生体材料の開発は、過去数十年間の重要な課題でした。 ナノ結晶金属は、高強度生体材料を製造する新たな機会を提供していますが、これらのナノ金属の生体適合性は改善する必要があります。 本研究では、生体適合性に優れた高強度生体材料として、金属タンパク質ナノ複合材料を紹介します。 哺乳類の体内に豊富に存在するタンパク質であるウシ血清アルブミンを少量 (2 および 5 vol%) チタンに添加し、高圧ねじりによる厳しい塑性変形プロセスを使用して 2 つのナノ複合材料を合成します。 これらの新しい生体材料は、ナノ結晶純チタンと同様の高い硬度を示すだけでなく、ナノチタンと比較して優れた生体適合性（細胞の代謝活性、細胞周期パラメーター、DNA断片化プロファイルなど）も示します。 これらの結果は、人体からの化合物を利用して新しい生体適合性複合材料を設計する道筋をもたらします。

近年、生体材料はさまざまな用途で大きな注目を集めています。 インプラントは荷重下で人体の組織、骨、体液と直接接触するため、インプラント用の金属生体材料の開発は、研究と技術の両方の観点から特に重要な問題です。 人体は非常に腐食性が高く複雑な環境であり、耐荷重人工材料を人体に埋め込むとさまざまな種類の腐食が発生します1、2、3。 体液には、さまざまな有機化合物と注目すべきさまざまなタンパク質が含まれています。 人間の体内には約 105 種類の異なるタンパク質があり、それぞれが特定の役割を持っています。 これらのタンパク質の中で、アルブミンは血漿および滑液中に最も豊富に存在するタンパク質であると報告されており 4、したがって、人工材料を移植できるあらゆるヒト組織に存在します。

生体適合性に大きな影響を与える初期段階の 1 つは、体液から生体材料表面へのタンパク質の瞬間的な吸着です。 さらに、タンパク質の吸着は、生体材料表面への細胞の接着を可能にする最初の最も重要な段階であると考えられており、したがって、整形外科用インプラントのオッセオインテグレーションなどの関連する臨床現象がこの段階で進行します1、2、3、4。 アルブミンはヒトの血液タンパク質の中で最も強力な金属結合剤であることが確認されているため、インプラント表面へのアルブミンの吸着は、生体適合性、腐食、トライボロジーなどの表面機能を決定する上で重要な役割を果たします5。 タンパク質は材料の表面に厚い層を形成し、細胞はこの層を通して異物の表面を感知して反応を開始します。 インプラントに関するいくつかの報告では、表面にタンパク質を含む層が存在することが明確に明らかにされており 1,6 、細胞レベルでのタンパク質と生物医学用合金との相互作用の重要性が示されています。

チタンとその合金は、ステンレス鋼や Co-Cr 合金などの他の生体材料と比較して、低い弾性率、高い疲労強度、優れた耐食性、優れた生体適合性により、さまざまなインプラントの潜在的な生体材料として広く使用されています7、8。密度は 4.5 g/cm3 で、これはステンレス鋼や Co-Cr 合金の約半分です9。 しかし、チタンとその合金の主な欠点は、ステンレス鋼や Co-Cr 合金と比較して強度と硬度が低いことです7、8、9。 最近の研究では、チタンのナノ構造化が生体適合性を損なうことなく強度と硬度を向上させる効果的な解決策であることが示されました 10,11。

チタンインプラントの使用が成功するかどうかは、弾性率や硬度などの機械的特性だけでなく、骨とインプラントの界面でのオッセオインテグレーションにも依存します12。 しかし、Ti ベースの材料は非生物活性であるため、骨と直接結合することができず、移植の初期段階でその表面での新しい骨の形成を促進します 13,14。 Ti ベースの材料のオッセオインテグレーションを改善するために、表面修飾に基づいた 2 つの主な方法が採用されています。(1) 物理的および/または化学的変化による表面トポグラフィーの制御 15,16。 (2) インプラント表面への生物活性分子の固定化17、18。 2 番目のアプローチでは、コラーゲン 19 やウシ血清アルブミン (BSA)5、20、21、22 などのタンパク質を豊富に含むコーティングを使用することで、Ti ベース合金の生体適合性を高めることができます。