NSG Found. Mat. Sci. Eng. Rep.

皮膚創傷治療用生体ゾルゲルガラスフェルト材料の開発
名古屋工業大学

大学院工学研究科

小幡亜希子

Development of Bioactive Sol-Gel Glass Felt for Skin Wound Healing
Akiko ObataGraduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology
皮膚の創傷治療用バイオマテリアルとしての応用を見据え、ゾルゲルガラス繊維からなるフェルト材料を開発した。ガラスから溶出する無機イオンの一部は組織の再生を促進すると期待されるが、溶出過程にてバーストが起こることで周辺組織や細胞への悪影響が懸念されることから、イオンを継続的に徐放する機能が求められている。本研究では生体用ガラスである 70 mol% SiO 2 - 30 mol% CaO 組成のゾルゲルガラスをベースとして、新たにB または Zr を添加することでイオンの徐放機能を達成した。またエレクトロスピニング法を組み合わせることで、柔軟性を示す繊維構造体の作製にも成功した。
Sol-gel glass felts were developed for the use in skin wound treatment. Although several
types of inorganic ions released from glasses have been regarded to promote tissue
regeneration, burst release of such ions could induce adverse effects on surrounding tissues
and cells and the glasses with controlled ion release for a long time have been expected. In
the present study, we succeeded to achieve 70 mol% SiO 2 - 30 mol% CaO sol-gel bioactive
glasses with controlled ion releasability by incorporating B or Zr into the glass system.
Flexible fibers of the glasses were fabricated by an electrospinning method.
1．はじめに
皮膚は人間の生体において最も大きな臓器であり、その構造は表皮、真皮及び皮下組織の層状構造から成る。表皮は主とし 4 ~ 5 層のケラチノサイトからなり、衝撃などの外的要因から生体を保護する働きを有する。一方で、真皮は主にコラーゲンやエラスチンの繊維状物質から構成され、内部に血管やリンパ管が通っている。近年、皮膚の慢性創傷患者が増加傾向を示しており、これに特化した治療方法の確立や生体材料の開発が求められている。通常の皮膚創傷は、止血→炎症→細胞増殖→組織のリモデリングを介して数週間程度で治癒する。これに対し数ヶ月以上治らない創傷を慢性創傷と呼び、特に老齢者、肥満や糖尿病患者にて発症しやすい。そのため、超高齢化社会に突入し、かつ高齢者の肥満人口が増加傾向を示している日本において無視できない問題である。
慢性創傷の治療過程は、炎症期、細胞増殖期、成熟期（再構築期）の 3 期に大別される。炎症期と増殖期では感染予防の抗菌処置が求められる場合がある。増殖期と成熟期においては、新しい皮膚組織を構築する細胞の増殖や細胞外マトリックスの成熟などを促す仕組みが求められる。
生体用ガラス・セラミックス材料の一部は、細胞の増殖や成熟を促進させ、組織の再生を促す作用を持つことがわかっている。とくに Bioglass ®（45 S 5：46 . 1 mol% SiO 2 , 2 . 6− 71 −（公財）日本板硝子材料工学助成会，40（2022）

mol% P 2 O 5 , 24 . 4 mol% Na 2 O, 24 . 4 mol% CaO）や 70 mol% SiO 2 - 30 mol% CaO 組成のゾルゲルガラス（70 S 30 C）では、材料から溶出する無機イオンが骨組織の再生促進に寄与すると報告されている 1 , 2）。骨組織だけでなく、皮膚などの軟組織の再生に適したイオンの種類と量を供給し、かつ創傷部を保護するのに適した柔軟性と操作性を兼ね揃えたガラス・セラミックス材料を開発することができたならば、慢性皮膚損傷用の新規生体材料への応用展開が期待できる。しかし、溶解性ガラス・セラミックス材料の多くではイオン溶出の初期バーストが課題となる。バーストにより予期せぬ pH 上昇や過剰なイオン供給が起こり、その結果、細胞死や組織の炎症を引き起こす可能性がある 3）。特にゾルゲルガラスは高い比表面積をもつ特徴がありバーストが起こりやすく、そのため材料の化学的耐久性の制御が強く求められる。例えば 70 S 30 C の場合、単純に CaO 量を減少させることで耐久性は向上する。しかし、Ca は細胞の増殖や皮膚組織の構築に有効なイオンの一つであり、よって CaO 量を減らすことなくバーストを制御する手法が求められる。
以上のことをふまえ、本研究では慢性皮膚損傷治療用のゾルゲルガラス材料の開発を目指した。細胞外マトリックスの生成を促す Si や Ca をメインの構成元素とし、さらに Bまたは Zr イオンを導入したガラス組成について検討する。溶融急冷法で作製されたガラスに関する報告例を参照すると、B と Zr イオンの導入はケイ酸塩ガラスの諸物性の制御に寄与する 4）。また、ホウ酸塩ガラスにおいては、ホウ酸異常と呼ばれる現象が報告されている 5）。これは、ホウ酸塩ガラスに修飾酸化物を導入することによってネットワークコネクティビティが増大し、その結果、溶解性を含め様々なガラスの特性が変化することを意味する。Zr イオンの導入によって形成される Si-O-Zr 結合は強固であるため、ガラス全体の耐久性の向上に寄与し、6 配位構造をとる Zr の周囲に Ca が存在することで Ca イオンのバーストが抑制すると期待される 6 , 7）。一方で、ゾルゲルガラスにおけるこれら元素の添加効果については報告例がない。本研究ではこれら元素の添加効果について調査するとともに、繊維化にも成功したので報告する。
2．実験方法
2.1．ゾルゲルガラス粉末の作製と構造および諸物性の調査
TEOS、硝酸カルシウム四水和物、Triethyl borate、硝酸ジルコニウムを用いて 70 S 30 C
組成をベースに、SiO 2 の一部を B 2 O 3 または ZrO 2 で置換した組成のゾルゲルガラスを作製した。ガラス組成は（70 -x）SiO 2 - 30 CaO – x B 2 O 3 または -x ZrO 2（in mol%）
であり、サンプルコードはそれぞれ x B または x Zr と表記する。どちらのサンプルにおいても、最終的に 700℃で 5 時間加熱することで安定化処理し、粉砕することでガラス粉末を得た。
得られたサンプルは粉末 X 線回折法（XRD）、フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）、窒素ガ
ス吸脱着法による比表面積の計測を行った。また、体内環境に近い 37℃および pH 7 . 4 のトリス緩衝溶液中に浸漬し、サンプルから溶出した各種イオン量を誘導プラズマ発光分析法（ICP-AES）により測定した（n= 3）。
2.2．ゾルゲルガラス繊維の作製
繊維化にはエレクトロスピニング法（ES）を用いた。安定なスピニングを実現すべく、有機バインダーとして 10 wt% の poly（vinylbutyral）/ethanol 溶液を用いた。これを上述の方法にて作製したゾル状態のサンプルと混合し、ES 用の溶液として用いた。ES 後のサン− 72 −

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プルは 700℃で 5 時間加熱することで安定化処理した。得られたサンプルは、走査型電子顕微鏡（SEM）により形態観察を行った。
3. 結果と考察
3.1．BおよびZrの添加効果得られたサンプルの XRD パターンより、どのサンプルからもハローパターンが得られ非晶質構造であるこ

Table 1 . Percentages of amount of calcium ions released
from glasses during immersion in Tris-HClbuffer solution for 4 and 8 hr. Average values ofthree samples.とがわかった。また、ブロードなピークは 1 つであることから大きく分相していないことがわかった。緩衝溶液中でのカルシウムイオン溶出挙動について、ICP-AES 測定にて調査した結果を表 1 に示す。B および Zr を添加したサンプルにおいて、カルシウムイオンの溶出割合の減少が見られた。この要因を調査すべく、窒素ガス吸脱着法の結果から比表面積を算出したところ、B 添加ガラスにおいては添加量に依存して減少することがわかった（表 2）。溶融急冷法にて合成されたガラスに関する報告例を参照すると、ケイ酸塩ガラスに B を添加することでガラス転移温度や結晶化温度の低下することがわかっている 8）。このことから、ゾルゲルガラスにおいても、B 添加によって安定化処理過程（700℃）での焼き締まりが促進され、その結果比表面積が減少したと考える。
一方で、Zr 添加ガラスにおいては上述のような変Table 2 . Specific surface area（SSA）化は観察されず、むしろ比表面積は大きくなる傾向
of prepared glasses.
を示した。このことから、B 添加とは異なる機序によりカルシウムイオンの溶出抑制が起きたと考えられた。FT-IR スペクトルより、Zr を添加することでSi-O-Zr 結合に由来するピークが観測され、Zr 量に依存して増大する傾向が見られた。このことから、6 配位の Zr がネットワークの形成に寄与しており、これによりガラスの重合度が上昇し化学的耐久性が向上したことが示唆された。また、カルシウムイオンはこの 6 配位 Zr の電荷補償として機能し、これがイオンの溶出抑制に寄与したことも考えられた 6 , 7）。
以上のように、B または Zr を 70 S 30 C ゾルゲルガラスに添加することで、どちらの組成系においてもカルシウムイオンの溶出の初期バーストを抑制することに成功した。
また、この抑制機構はそれぞれ異なる機序に基づくこともわかった。
3.2.ゾルゲルガラスの繊維化
図 1 に ES を用いて作製した Zr 添加ガラス繊維の SEM 画像と外観写真を示す。今回作製したどのサンプルにおいても、直径が数百 nm ほどの繊維で構成されていた。また、直径は ES 用の溶液や ES 時の諸条件を変更することで調整可能であることもわかった。外観写真より、立体的な繊維構造体であることが分かる。また、一般的なフェルト生地のように柔軟性を示すことも確認できた。既に繊維化に成功していたケイ酸塩ゾルゲルガラス− 73 −

（公財）日本板硝子材料工学助成会，40（2022）と同様に、本ガラスにおいても ES 時の諸条件のうち特に湿度を調整することで、繊維の立体化を実現できることもわかった 9）。つまり、特定の湿度に設定することで二次元的な繊維シート（不織布状）や三次元的なフェルト状の繊維を得ることができた。

Fig. 1 . S E M i m a g e （a ） a n d a p p e a r a n c e （b ） o f
Zr-containing glass fibers.

4．結論
本研究では、生体組織の再建用バイオマテリアルとしての応用を見据えたゾルゲルガラ
ス繊維を作製した。細胞の活性化および組織の再生に有効なカルシウムイオンを継続的に徐放するガラス繊維を実現すべく、70 mol% SiO 2 - 30 mol% CaO 組成ゾルゲルガラスに新たに B または Zr を添加した材料を開発した。その結果、どちらの組成系においても緩衝溶液へ浸漬した際の初期のイオン溶出割合を減少させ、徐放機能を付与することができた。
また、その機序については両添加元素間にて異なることも見出した。
5．謝辞
本研究は 2019 年度日本板硝子材料工学助成会の研究助成を受けて行ったものである。
心より感謝申し上げます。

6. 参考文献
1 ．I. D. Xynos, A. J. Edgar, L. D. K. Buttery, L. L. Hench and J. M. Polak, Biochem. Biophys.
Res. Commun., 276 , 461 - 65 , ( 2000 ).
2 ．J. E. Gough, J. R. Jones and L. L. Hench, Biomaterials, 25 , 2039 - 46 , ( 2004 ).
3 ．S. Midha, T. B. Kim, W. van den Bergh, P. D. Lee, J. R. Jones and C. A. Mitchell, Acta
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4 ．Y. Tanaka, Y. Benino, T. Nanba, S. Sakida and Y. Miura, Phys. Chem. Glasses-B, 50 , 289 93 , ( 2009 ).
5 ．D. R. Uhlmann and R. R. Shaw, J. Non-Cryst. Solids., 1 , 347 - 59 , ( 1969 ).
6 ．Y. Zhu, X. Li, J. Yang, S. Wang, H. Gao and N. Hanagata, J. Mater. Chem., 21, 9208- 18, ( 2011 ).
7 ．L. Galoisy, E. Pélegrin, M.-A. Arrio, P. Ildefonse, G. Calas, D. Ghaleb, C. Fillet and F.
Pacaud, J. Am. Ceram. Soc., 82 , 2219 - 24 , ( 1999 ).
8 ．K. M. Tohamy, I. E. Soliman, A. E. Motawea and M. A. Aboelnasr, Nat. Sci., 13, 145-54, (2015).
9 ．E. Norris, C. Ramos-Rivera, G. Poologasundarampillai, J. P. Clark, Q. Ju, A. Obata, J. V.
Hanna, T. Kasuga, C. A. Mitchell, G. Jell and J. R. Jones, Biomed. Mater., 15 , 015014 , ( 2020 ).

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