Preparation and in‑vitro screening of yak‑skin collagen/PMVE‑MA composite biomaterials toward biodegradable vascular stents
本研究では、血管用ステント向けに熱安定性と血液適合性を向上させた生分解性ヤク皮コラーゲン/PMVE-MA複合体を開発したが、これは、不可欠な細胞接着および浸潤を現在妨げている固有の疎水性を克服するために表面修飾を必要とする。
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人間の心臓は絶え間なく動き続けるポンプですが、その燃料ラインである冠動脈が脂肪の沈着物で詰まってしまうと、心筋への酸素供給が不足してしまいます。このような事態が発生した際、医師は血管を広げて血流を回復させるために、ステントと呼ばれる小さなメッシュ状の管を挿入することがよくあります。数十年の間、これらのステントは金属で作られ、体内に永久に残されるものでした。これらは当面の閉塞を解決しましたが、異物が永久に存在することで、慢性的な炎症や、時間の経過とともに再び血管が狭くなるなどの長期的な問題を引き起こすことがあります。科学者たちは、より優れた解決策、つまり、血管が治癒した後は安全に溶解して消滅し、跡形もなく消え去ることができる素材を用いたステントを求めてきました。課題は、最初は動脈を広げておくのに十分な強さを持ちながら、体を刺激することなく分解されるほど穏やかであり、かつ、体の細胞自体の成長を促すことができる素材を見つけ出すことにあります。
中国の研究チームは、自然由来の素材と承認済みの合成ポリマーを組み合わせた新しい手法を探求することで、この目標に向けた一歩を踏み出しました。彼らは、動物の皮膚に含まれる構造タンパク質であり、人体との親和性が高いものの、単独で使用するには強度が低すぎ、水に溶けやすい性質を持つコラーゲンに注目しました。これを強化するために、彼らはヤクの皮膚から抽出されたコラーゲンと、PMVE-MAとして知られる合成ポリマーを混合しました。ヤクの皮膚が選ばれたのは、そこに含まれるコラーゲンが牛や豚のコラーゲンよりも天然で耐熱性と安定性に優れており、医療用デバイスとしてのより強固な基礎を提供できる可能性があるためです。研究者たちは、これら2つの物質を混ぜ合わせ、混合物を凍結させ、乾燥させて多孔質の構造を作ることで、スポンジのような複合材料を作り上げました。その後、化学的なプロセスを用いて分子同士を結合させ、材料をより耐久性のあるものにし、体内での溶解速度を制御できるようにしました。
チームは、この混合物の完璧なレシピを見つけるために多大な努力を払いました。彼らは、ヤクコラーゲンと合成ポリマーの比率を変え、混合時の温度を変化させ、溶液を攪拌する時間を調整しました。彼らの目標は、いくつかの相反するニーズのバランスを取ることでした。すなわち、材料は押し潰されることに耐えられる強さを持ち、一定のペースで予測通りに溶解し、かつ赤血球を損傷させないことです。体系的なテストプロセスを通じて、彼らはコラーゲンとポリマーが特定の比率で結合され、適度な温度で攪拌され、一定時間反応させた最適な混合組成を特定しました。完成した材料は、医療用インプラントとして有望な兆候を示しました。それは、液体に浸しても形状を維持し、鋭利な破片に分解されることなく2週間かけてゆっくりと溶解し、赤血球へのダメージも極めて少なく、細胞破裂率は医療機器の安全基準を十分に下回っていました。
しかし、この研究は、この材料が患者に使用される準備ができていることを妨げる、重大かつ予期せぬ障害を明らかにしました。この材料は血液との共存には優れていましたが、生きた組織細胞との相互作用においては完全に失敗したのです。複合体の表面は、極めて水を弾きやすい、すなわち疎水性であることが判明しました。体内では、細胞が接着し、広がり、成長できるような表面を必要とします。この材料は水を弾くため、細胞が自身を固定するために使用するタンパク質をも弾いてしまいました。研究者がヒト肝細胞を材料の上に置き、細胞がどのように付着し成長するかをテストしたところ、細胞はほとんど付着しませんでした。8日経っても、細胞はまばらで散在したままであり、健康な層を形成したり、スポンジ状の構造の深部まで浸透したりすることはありませんでした。この材料は、その上を血液が安全に流れることは許容しましたが、体自身の細胞がそれと一体化することを事実上ブロックしてしまったのです。
この発見は、医療用インプラントの設計における極めて重要な区別を浮き彫りにしています。すなわち、ある材料が血液に対しては安全であっても、組織の成長に対しては安全であるとは限らないということです。研究者たちは、ヤクコラーゲンの複合体が、溶解性ステントに必要な物理的強度と分解速度を備えている一方で、その表面特性が現在は生細胞に対して敵対的であることを結論付けました。極端な撥水性は、細胞の付着と血管壁の治癒を阻む障壁となっています。この材料が臨床使用に向けて前進するためには、細胞を引き寄せる化学基を添加したり、表面のテクスチャを変更したりするなど、表面をより細胞にとって受け入れやすいものへと修正する必要があります。この研究は、生分解性ステントの開発には、血流の中で生き残るためのルールと、体の周囲での治癒を促すためのルールの、2つの全く異なるルールを満たす必要があるということを、重要な教訓として示しています。
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