Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

骨がひどく折れた際、医師はしばしば、新しい骨の成長を導くための一時的な三次元フレームワークである「スキャフォールド（足場材）」を用いて、欠損した部分を補う必要があります。これが機能するためには、スキャフォールドは単なる空洞のケージであってはなりません。荷重に耐えられるほど強く、血管や栄養が流れるのに十分なほど多孔質であり、かつ細胞に新しい組織を構築させるための化学的な活性を備えている必要があります。自然界では、甲殻類の殻や魚の鱗において、材料の層が螺旋状にねじれたパターンで重なり合うことで、強靭さと柔軟性の両方を備えた構造を作り出し、すでにこの問題を解決しています。科学者たちはこれを「ブーリガン構造」と呼んでいます。エンジニアにとっての課題は、周囲の骨を弱らせたり溶かしたりしてしまうほど硬すぎず、かといって身体を支えられないほど弱すぎもしない、人間の骨を模倣した方法でこの自然のデザインを再現することです。

インドのヴェロール・インスティテュート・オブ・テクノロジーの研究チームは、この螺旋状の建築様式と特殊な材料の混合物を組み合わせた、新しいタイプの骨スキャフォールドを設計・製作することに着手しました。彼らは、荷重を支えるだけでなく、圧力を受けた際に微小な電気信号を発生させる性質、すなわち「圧電性」を持つ構造を作りたいと考えました。人体において、天然の骨は荷重を受ける際にこれらの電気信号を生み出しますが、これらの信号は骨細胞に対して成長と修復を促す役割を果たします。これを実現するために、研究者たちは、骨に似たセラミックスであるヒドロキシアパタイトと、圧電セラミックスであるチタン酸バリウム、そして導電性のある炭素材料であるグラフェンをごく少量混合しました。彼らはコンピュータ・シミュレーションを用いて、これら材料の何千通りもの組み合わせと異なる空隙率をテストし、強固でありながら流体が流れやすく、かつ骨の治癒を助けるのに適切な量の電気を発生させる、完璧なバランスを見つけ出そうとしました。

研究者たちはまず、異なる成分が互いにどのように振る舞うかを予測するために、材料混合物の微小な立方体をモデリングすることから始めました。その結果、チタン酸バリウムを加えることで材料はより硬くなり、電気的な活性が高まり、グラフェンが電気電荷をより効率的に伝導することが分かりました。しかし同時に、圧電材料が多すぎると細胞に悪影響を及ぼす可能性があることも発見したため、適切な量を特定することが極めて重要でした。その後、彼らはこれらの知見をスケールアップし、螺旋状の層状構造を持つフルサイズのスキャフォールドを設計しました。高度なコンピュータ・モデリングを用いて、これらのスキャフォールドがどのように圧力を受け止めるか、また水がその孔をどのように流れるかをシミュレーションしました。シミュレーションの結果、70パーセントの固形物質と30パーセントの空隙を持つスキャフォールドが、最良のバランスを提供することが示されました。ヒドロキシアパタイト90パーセント、チタン酸バリウム9.9パーセント、グラフェン0.1パーセントの混合物で作られたこの特定の設計は、緻密な人間の海綿骨の硬さに一致し、骨の成長に有益な安全な範囲内の電気信号を生成しました。

コンピュータによる設計が最終決定されると、チームは研究所へと移り、実際に製作を行いました。彼らはセラミックスの粉末を液体バインダー（結合剤）と混ぜ合わせ、重い粘土のような厚みのあるペースト状にし、それを3Dプリンターに装填しました。プリンターは高精度なグルーガンのように機能し、ペーストの細い糸を一層ずつ押し出していきました。研究者たちは、糸が崩れたり広がりすぎたりすることなく形状を維持できるように、印刷速度とペーストを押し出す圧力の調整を慎重に行いました。彼らは、印刷直後に糸がしっかりと形を保てるようなバインダーの濃度を特定するために、さまざまな濃度をテストしました。適切な設定を用いることで、彼らは複雑な螺旋構造の印刷に成功し、微細でつながった穴が貫通している固体オブジェクトを作り上げました。

完成品は、小さなハニカム構造のようでありながら、内部にはねじれた層状のパターンを持つ、白くて多孔質な小さな円柱でした。研究者が顕微鏡で印刷された物体を観察したところ、異なる材料が均一に混合されており、糸が強く均一であることが確認されました。コンピュータ・モデルは、この特定の設計によって、天然の人間の骨と同様の速度で流体が流れることが予測していましたが、物理的な構造もその可能性を裏付けました。この研究は、自然界の螺旋デザインを模倣し、特定の材料を注意深く混合することで、人間の身体と機械的に適合し、電気信号を通じて骨の成長を刺激できるスキャフォールドを作ることが可能であることを示しています。研究者たちは、これらのスキャフォールドが体内においてどの程度うまく機能するかを確認するには、生体内でのさらなる試験が必要であると指摘していますが、この構造の設計と製作の成功は、深刻な骨の損傷に対するより優れた、より効果的な治療法の創出に向けた重要な一歩となります。