組織の再生を促す生体活性ガラスの開発
小幡亜希子 （名古屋工業大学 生命・応用化学科 環境セラミックス分野）

コンテンツ1. 背景
2. 細胞に対するイオンの組合せ効果
3. わた状ガラス繊維構造体の作製
4. まとめ背景
⽣体活性ガラスの発明（1970年頃）
Prof. Larry Hench
University of Florida

45S5 bioactive glass(46.1SiO2-26.9CaO-24.4Na2O-2.5P2O5 in mol%)

⽣体活性ガラス・セラミックス
ü ⽣体内で化学的に反応
ü ⾻と⾃然に直接化学結合する(Hench LL, 1998)

Bioglass® (45S5 bioactive glass)
⽔酸アパタイト

Ca10(PO4)6(OH)2β-リン酸三カルシウム ß-Ca3(PO4)2など(Bio-glasses edited by Jones andClare, 2012)

β-リン酸三カルシウム(HOYAカタログより）

背景
⾻の成⻑に対するSiの影響（1970年頃） Carlisleらの報告
ü Siが⾻の成⻑部位に特に多く存在
ü 正常な⾻格成⻑にSiの摂取が重要(Carlisle E.M., 1986)

背景45S5 bioactive glassの優れた⾻形成機能の要因の⼀つとして溶出イオンに着⽬

45S5 bioactive glass(46.1SiO2-26.9CaO-24.4Na2O-2.5P2O5 in mol%)

45S5ガラスから溶出する微量のSiとCaがヒト骨芽細胞の増殖を促進
・骨芽細胞の生細胞数が増大；コントロールの155％・成長因子（IGF II）の産生を促進 ；コントロールの290 % è(Xynos ID. et al., 2001)

58S bioactive glass(60SiO2-36CaO-4P2O5 in mol%)

58Sガラスから溶出する微量のSiとCaがヒト骨芽細胞の石灰化を誘導・ガラスからのイオン供給のみで細胞の石灰化を引き起こす（赤色部位が石灰化基質） è(Gough JE. et al., 2004)

背景
⾻形成

⾻芽細胞や間葉系幹細胞

接着 増殖

分化

石灰化

骨組織溶出イオン
血管形成
軟組織形成
免疫系
抗菌
etc.

Si, Ca, Mg, P, Zn, Sr, Cu, B など
⽣体⽤ガラス・セラミックス(Hoppe A. et al., Biomaterials, 2011)

イオン供給→ガラスの活⽤
組成設計

形状設計

細胞に対するイオンの組合せ効果

わたの様なガラス繊維構造体

SiCa

Mg

生体活性ゾルゲルガラス
70SiO2-30CaO mol%+
抗菌Agストラテジー
⾻芽細胞や間葉系幹細胞

接着 増殖

SiCaMg

分化石灰化

骨組織

•

各種イオンによる細胞への作⽤に関する既報…単⼀イオンに着⽬•

⽣体⽤ガラス・セラミックスの多くは多成分系活性化効果が報告されているSi, Ca, Mgについて組合せによる作⽤（相乗・拮抗作⽤）の調査
組織再⽣の促進に有効な組合せ

実験方法
イオン添加培地の作製
APTES after hydrolysis and condensation
CaCl2・2H2O
MgSO4・7H2Oα-MEM
Si = 0 ppm
Ca = 75 ppm
Mg = 25 ppm

xSi : x = 10 ~ 70 (ppm)
yCa : y = 150 ~ 450
zMg : z = 50 ~ 500

接着試験

xSi-yCa
イオン添加培地

xSi-zMg
マウス骨芽細胞様細胞
MC3T3-E1(5.0×104 cells/ml)

100 µL96 plate

3hyCa-zMg

xSi-yCa-zMg

1成分系

Fig. MC3T3-E1 cell numbers after 3 hours of culture in ion containing media.

(Obata A. et al., J Biomed Mater Res Part A, 2019)

2成分系

Si-CaCa-Mg

Mg-SiFig. Adhered cell numbers cultured for 3 hours in ions containing media.

(Obata A. et al., J Biomed Mater Res Part A, 2019)組合せ効果の判定方法(J.C. Wataha, et al, 1992)

observed

expected

differential

αα Aobserved – expected > 0→ 相乗作用

βB

observed – expected < 0→ 拮抗作用

2成分系
Si-Ca

observed

expected

differential

拮抗作

用

Mg-Si

相乗作

用相乗作

用

Ca-Mg

(Obata A. et al., J Biomed Mater Res Part A, 2019)

3成分系

Si量増大

observed

expected

differential

50Si-240Ca-250Mg(Obata A. et al., J Biomed Mater Res Part A, 2019)

50Si-240Ca-250Mg
細胞の蛍光染⾊画像
⻘⾊︔核⾚⾊︔F-アクチン

各形状の細胞の存在割合（150個の細胞を対象に、アスペクト⽐と枝分かれ数から分類）(Obata A. et al., J Biomed Mater Res Part A, 2019)

3成分系
observed

増殖

expecteddifferential

Si量増大（５⽇間培養）(Obata A. et al., J Biomed Mater Res Part A, 2019)まとめ （イオンの組合せ効果）
⾻芽細胞様細胞に対するSi, Ca, Mgの３種のイオンの供給において、組み合わせによる影響を調査した。
• ３種のイオンを全て供給することで、接着した⽣細胞数が増⼤した。
• Mgイオンの供給によって、接着過程に対する相乗効果を確認した。
• 接着および増殖過程に対し、相乗効果をもたらす因⼦となるイオン種は異なることがわかった。（接着ではMg、増殖ではSi）

イオン供給源となる⽣体活性ガラス・セラミックスの組成の設計に活⽤ストラテジーエレクトロスピニング法（電界紡⽷法）
シート状の繊維構造体（不織布）の作製⽅法の⼀つ+
生体活性ゾルゲルガラス
70SiO2-30CaO mol%+抗菌Ag•••

イオンによる⾻形成の促進
複雑形状部位にも対応可能な柔軟性と操作性
軟組織再⽣への展開

わたの様な⽴体的な繊維構造体••

積層する繊維の⽴体化
Agイオンの溶出による抗菌機能付与（感染予防→正常な組織再⽣）

実験方法
1TEOS + 2EtOH+ 0.05HNO3(molar ratio)

Poly(vinyl butyral) (PVB)+ EtOH (PVB : 10 wt%)

RT, Stirring (1 h)

Ca(NO3)・4H2O, AgNO3
RT, Stirring (2 h)

RT, Stirring (24 h)
40 oC , Aging (17 h)

Mixed (1 h)(mol ratio)
SiO2 : CaO : Ag2O

70 : (30-x) : x(1 : 1 [w/w %])Electrospinnig+Drying (50 oC, 1 d)エレクトロスピニング
Thermal stabilization (5 h)70S(30-x)CxAg

600, 650,700, 800 oC(x = 0, 2)

外観
スピニング時の湿度27%

35%

55%

65%

+

Fig. Photographs showing the morphology of 70S30C sol electrospun at different
relative humidity values (A) 27%, (B) 35%, (C) 55% and (D) 65%.
(Norris E., …, Obata A. et al., Biomed Mater, 2020)

SEM・XRD
600 oC

650 oC

700 oC

800 oC329 ± 32 nm

235 ± 23 nm

215 ±19nm

207± 20 nm

199 ± 20 nm

1 μm

1 μm

1 μm

1 μm1 μm

363 ± 31 nm

247 ± 42 nm

227 ± 21 nm

226 ± 13 nm

166 ± 20 nm

1 μm

1 μm

1 μm

1 μm

1 μm

70S28C2Ag

70S30C

Pre-calcination

Fig. SEM images of the 70S30C and 70S28C2Ag samples with different stabilization temperatures.

Fig. XRD spectra of the 70S30C and70S28C2Ag samples with different thermalstabilization temperatures.
(Ju Q., …, Obata A. et al., Biomater Adv, 2022)

TEM
600 oC

650 oC

700 oC

800 oC

70S30C

Pre-calcination

100 nm

100 nm

100 nm

100 nm

100 nm

100 nm

100 nm

100 nm

100 nm

70S28C2Ag

100 nmFig. TEM images of the 70S30C and 70S28C2Ag samples with different stabilization temperatures.

Table
Silver mean diameter in
70S28C2Ag samples from TEM
images at different stabilizingtemperatures.

Temperature(oC)

Mean diameter(nm)

600 oC

3.68 ± 1.17

650 oC

3.96 ± 1.35

700 oC12.5 ± 1.29

800 oC

25.98 ± 12.29(Ju Q., …, Obata A. et al., Biomater Adv, 2022)

培地中でのイオン溶出
70S30C70S28C2Ag
70S28C2Ag

AgSiCaTable Specific surface area (m2/g) atdifferent stabilizing temperatures.

PTemperature(oC)

70S30C70S28C2AgPrecalcination

5.35

12.6

600

11.0

25.6

650

20.6

18.6

700

35.6

17.7

800

12.9

10.3

(Ju Q., …, Obata A. et al., Biomater Adv, 2022)

抗菌試験
70S28C2AgAg*Fig. Number (log CFU/mL) of E.coli after 24 h cultivation
with the 70S30C (0Ag) and 70S28C2Ag (2Ag) samples
with different calcination temperatures. (dotted line; thelevel of Control sample before cultivation) (* p < 0.05 vsControl@24 h).

(Ju Q., …, Obata A. et al., Biomater Adv, 2022)

まとめ （わた状ガラス繊維構造体）
⽣体活性ゾルゲルガラス（70SiO2-30CaO mol%）について、わたの様な繊維構造体を作製した。また、抗菌機能を付与すべくAgの導⼊を試みた。
• スピニング時の湿度によって、シート状やわた状の繊維構造体が得られた。
• 焼成温度を上昇させるに従って、Ag粒⼦の成⻑が促進された。
• 焼成温度によって溶出イオン量が変化し、これに伴い抗菌機能の発現にも作⽤することがわかった。

柔軟性や操作性の優れた⽣体活性ガラスであり、抗菌機能の付与も可能
硬組織だけでなく⽪膚などの軟組織の再⽣にも活⽤が期待