セラミックス・ポリマー材料
現状と将来展望
小.

は じめに

.

幡亜希子

溶出無機イオンの効果に着目したバイオセラミッ
クス設計

セラミックスとは，広義として熱処理を経て合成した非金属の無機質固体として定義される．そのため，結晶性物質，近年，第三世代に該当するバイオセラミックスに関する研非晶質ガラス，結晶化ガラス等が含まれる．セラミックスを究が注目されており，特にバイオセラミックスから溶出され利用したバイオマテリアルは，これまで主に硬組織再建のたる微量の無機イオンによる骨形成性細胞への活性化効果に着めに用いられてきた．その一例としては，人工骨，骨セメン目した材料設計が注目されている(図)．より効果的に無機ト，人工股関節，膝関節，人工歯根，歯科用セメント等があイオンを溶出する材料開発のための研究や，溶出イオンによげられ，整形外科から歯科領域まで幅広い．バイオマテリア

る活性化効果についての基礎科学的研究が進められている．

ルとしてのセラミックス(バイオセラミックス)について注目

骨形成性細胞に対して働きかける無機イオンとして，これされるきっかけの一つとして， Hench らが開発したバイオガ ラ ス が あ げ ら れ る(1)(2) ． バ イ オ ガ ラ ス は Na2O CaO 
SiO2P2O5系のガラスであり，生体内にて異物反応を起こすことなく，さらに自家骨組織と結合する性質を示す．バイオ
ガラスのように骨組織との結合性を示す材料として他に，リン酸カルシウム系材料があげられ，ハイドロキシアパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2)やリン酸三カルシウム(Ca3(PO4)2)等がこれに含まれる．これ以前のバイオマテリアルは，アルミナ(Al2O3)のように生体内で化学的安定性を示すのみであり，骨組織との結合性は示さなかった．
以上のようなセラミックスを含めたバイオマテリアルの変遷について， Hench は以下のようにまとめている(3) ．第一世代のバイオマテリアルは， 60 ～ 70 年代の“生体に対してほとんど毒性を示さず，再建される組織部位の物理的性質に対して適した材料”であり，一般的に生体に対して不活性な性質(bioinert)を示す材料とされる．第二世代は，“生体組織と結合する性質(bioactive)を示す材料や，生体内で吸収され再生組織と置き換わる材料”であり，前者にはバイオガラスやハイドロキシアパタイト等が，後者にはポリ乳酸やポリグリコール酸等の生分解性ポリマー材料が該当する．さらにHench は， 現在 進め られ て いる 材料 デザ イン の一 つと して，第三世代のバイオセラミックスを提唱している．これは“分子レベルで特定の細胞応答性を制御することが可能な材料”であり，遺伝子レベルでの応答性制御を実現する生体活性ガラス等の研究が現在進められていると述べている．

図1

バイオセラミックスから溶出する無機イオンが細胞に働きかける．

名古屋工業大学助教大学院工学研究科(〒4668555 名古屋市昭和区御器所町)
Ceramic and Polymer Biomaterials; Akiko Obata(Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology, Nagoya)
Keywords: bioceramics, biopolymer, bioactive glasses, inorganic elements, electrospinning, nonwoven, tissue engineering
2012年 1 月13日受理

ま て り あ 第51巻 第 7 号(2012)Materia Japanまでに Ca, P, Si, Sr, Zn, B, V, Co, Mg, Cu などが報告されて実用化されている種類は数多く，例えば血液関連機器に使用いる．具体的な活性化効果については各イオンによって異なされるデバイスや，人工血管や人工皮膚など体内へインプラる部分もあるが，多く報告されている例としては，骨芽細胞ントする材料もあげられる．しかし近年，組織工学用マトリの増殖や石灰化の促進効果や細胞外マトリックス形成の促進ックスとしての応用を目指した研究開発が注目されており，効果などがあげられる(4)．
無機イオンを溶出する材料として，最も多く研究されているのがガラス材料である．ガラスは組成設計に対して自由度が高く，そのため任意の元素を幅広い添加量で導入しやすい．これまでに，バイオガラスの組成に Sr, Zn を導入したガラスや， SiO2 CaO 系を基本組成としてさらに Sr, Zn, B,Ag, Cu 等を導入したガラスなどが報告されている．上記のようなケイ酸塩ガラスだけでなく，リン酸塩ガラスにおいても同様に研究されている．
これら無機イオンを溶出するガラス材料において，無機イオンがどのように細胞に働きかけているか見出す研究もされている．例えば Si の効果については， Xynos らの報告によればヒト骨芽細胞中の遺伝子発現において変化が生じ，これら変化のあった遺伝子のうちのいくつかは，細胞の増殖など図2に関与することがわかっている(5)(6)．つまり，無機イオンがエレクトロスピニング法の概略図．

細胞に対して遺伝子レベルで働きかけていることが示唆された．
このような無機イオンによる活性化効果は，組織工学(ティッシュエンジニアリング)の分野でも注目されている．組織工学とは，“機能を失った臓器や組織の代替品を，生命科学と工学をうまく組み合わせて作り出す考え”といわれる．
より一般的には，“「細胞」「マトリックス」「生理活性物質」という 3 つの要素で人工的に臓器や組織を作ること”ともいえる．ここで「マトリックス」とは，細胞を組み込むための物質であり，骨組みのような役割をもつ．この「マトリックス」としての応用を目指した材料研究も，近年盛んに行われており，セラミックスおよびポリマー材料が取り上げられている．このマトリックスとなる材料に対して，無機イオンの活性化効果を付与する研究も進められている．また，間葉系幹細胞(未分化細胞であり，組織工学において着目される

図3

ポリ乳酸を用いて作製した不織布材料の SEM 写真．

図4

投稿論文(Article, Conference paper, Review 等)の 発 行 数 の 推 移 ． Scopus に て 調 査 ． ``electrospinning'', ``electrospun'' または ``electrostatic spin'' を含む論文数総計(グレー＋黒色)．その う ち ``polymer'' と ``tissue engineering'' の 両
キーワードを含む論文数黒色．

細胞の一つ)に対して無機イオンの効果が有用であることを示唆する研究報告もある(7)．
以上のように，無機イオンによる活性化効果に着目した材料研究は精力的に進められているが，一方で未知なる部分もまだ多い．例えば，イオン種によっては供給量が多すぎると細胞死や増殖抑制が起こると報告されている．つまり，最適なイオン供給量が存在することが示唆されるが，まだ具体的な数値はわかっていない．また，イオンがどのような過程を経て細胞に働きかけているのか，不明な部分が多い．よって，今後は活性化効果に対して，基礎科学的な知見を見出す研究もより活発に進められることと考える．

.

ポリマー材料をベースとした不織布材料開発

一方で，ポリマー材料も組織工学用マトリックスとして非常に重要な位置を占める．ポリマー材料については，すでに

ミ ニ 特 集前述したポリ乳酸などの生分解性ポリマーはもちろんのこ

今後もセラミックス，ポリマーの各分野を専門とする研究者と，コラーゲンなどのバイオポリマーも用いられる(8)(9)．そが積極的に「複合化」することで，さらに斬新な材料設計にの中でも特に最近数多くの論文発表や特許取得がみられるの繋がると考えられる．

が，エレクトロスピニング法を用いて作製される，いわゆる文「不織布」材料である．

献

最も基本的なエレクトロスピニングのシステムを図に示す．針先に高電圧を印加することでシリンジから押し出されたポリマー液滴を帯電させ，これがアースをとったコレクター表面に向かって飛散する．このときポリマーは繊維状となり，同時に溶媒の蒸発が起こる．この繊維がコレクター上でランダムに積層することで不織布構造が得られる(図)．
図に 1995 ～ 2011 年における不織布に関連する投稿論文(Article, Conference paper, Review 等)の発行数の推移を示す．ここ 10 年間において急激に増加しているのがわかる．
この期間は決して長くないが，しかし不織布に関する研究は精力的に進められており，繊維形成のメカニズム，繊維径の制御方法，そして不織布構造のデザインまで数多くの報告がすでにされている．そしてこの不織布に関する研究は，ポリマー材料に限らずゾルゲルガラスなどのセラミックス材料に( 1 ) L. L. Hench: J. Am. Ceram. Soc., 81(1998), 17051728.
( 2 ) W. Cao and L. L. Hench: Ceram. Int., 22(1996), 493507.
( 3 ) L. L. Hench: Science, 295(2002), 10141017.
( 4 ) A. Hoppe, N. S. G äuldal and A. R. Boccaccini: Biomaterials, 32(2011), 27572774.
( 5 ) I. D. Xynos, A. J. Edgar, L. D. K. Buttery, L. L. Hench and J.
M. Polak: Biochem. Biophys. Res. Commun., 276(2000), 461
465.
( 6 ) I. D. Xynos, A. J. Edgar, L. D. K. Buttery, L. L. Hench and J.
M. Polak: J. Biomed. Mater. Res., 55(2001), 151157.
( 7 ) D. M. Reffitt, N. Ogston, R. Jugdaohsingh, H. F. J. Cheung, B.
A. J. Evans, R. P. H. Thompson, J. J. Powell and G. N.
Hampson: Bone, 32(2003), 127135.
( 8 ) T. J. Sill and H. A. von Recum: Biomaterials, 29(2008), 1989
2006.
( 9 ) P. Lu and B. Ding: Recent Pat. Nanotechnology, 2(2008), 169
182.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

対しても注目される分野の一つとなっている．

.

お わり2004 年

東京医科歯科大学大学院医歯学総合研究科
博士課程修了2005年 名古屋工業大学・プロジェクト助教
2007年 日本学術振興会・特別研究員
2008年5月 現職
専門分野生体材料，無機材料◎骨や歯などの硬組織を再建するための生体材料について，材料設計や細胞培養試験などを中心に活動．に

以上，セラミックス系バイオマテリアルおよびポリマー系バイオマテリアルの研究の一部についてそれぞれ述べてきたが，実際はこれら二種の材料を複合化した材料設計も幅広く

小幡亜希子★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

進められており，新しい材料領域として確立されつつある．

ま て り あ 第51巻 第 7 号(2012)Materia Japan