Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

人間の骨格は、重さを支えるための強さと、動くために十分な軽さを維持するという、エンジニアリングの驚異的なバランスの上に成り立っています。怪我や疾患によって骨が失われたとき、医師はしばしば、骨を置き換えるためのインプラント（埋め込み型医療機器）に頼ります。数十年にわたり、これらの代替物のための最良の材料は、チタンのような金属やジルコニアのようなセラミックスであり、これらはその驚異的な強度と、体内で腐食することなく生存できる能力によって選ばれてきました。しかし、これらの材料には重大な欠点があります。それらは天然の骨よりもはるかに密度が高く、硬いのです。この不一致は、まるで重いブーツがその下の柔らかい地面を押しつぶすように、周囲の骨を時間の経過とともに弱めてしまう可能性があります。一方で、骨の化学組成を模倣したカルシウムリン酸塩のような材料は、新しい組織の成長を促すには非常に優れていますが、重い荷重に耐えるには脆すぎることがよくあります。科学者たちの課題は、患者固有の解剖学的構造に適合する複雑な形状に成形できる能力を持ちつつ、重さに耐えられるほど強く、かつ置き換える骨と同じくらい軽い材料を作り出すことでした。

リスボン・ノヴァ大学とリスボン大学の研究チームは、押し出し成形方式の3Dプリンティングと呼ばれる技術を用いて、新しいタイプのセラミック複合材料を開発することで、この問題の解決に向けた一歩を踏み出しました。単一の材料をプリントしようとするのではなく、彼らは2つの異なる成分を、粘り気のあるインク状に混ぜ合わせました。最初の成分は、歯科や医療分野での耐久性で知られる、熱安定化された強靭なジルコニアである3YSZです。2番目の成分は、人間の歯や骨に含まれるミネラルに化学的に類似しており、体がインプラントと統合するのを助けることが知られているカルシウムリン酸塩です。これらのペーストを一層ずつプリントし、その後高温のオーブンで焼成することで、チームはジルコニアの強さとカルシウムリン酸塩の生体親和性を組み合わせた円柱状の構造体を作り上げました。

研究者たちは、単にジルコニアのペーストにカルシウムリン酸塩を加えるだけで、最終製品に劇的な効果をもたらすことを発見しました。純粋なジルコニア・セラミックスは極めて高密度であり、1立方センチメートルあたり3.5グラムを超える重さがありますが、これは天然の骨よりもはるかに重いものです。しかし、混合物に30パーセントから45パーセントのカルシウムリン酸塩を組み込むことで、チームはプリントされた物体の密度を2.2から2.5グラム毎立方センチメートルの範囲に下げることができました。この新しい密度は天然の皮質骨の密度に驚くほど近く、材料の構造的完全性を損なうことなく、重量の問題を効果的に解決しました。材料をスムーズにプリントできるようにするため、チームはグラファイトを混合物に加えるテストも行いました。グラファイトは加熱プロセス中に燃え尽きる一時的なプレースホルダーとして機能し、その結果として小さな細孔が残り、さらなる軽量化を実現しました。

単に重さを変えるだけでなく、チームは加熱時に材料が微視的なレベルでどのように変化するかを注意深く調査しました。彼らは、ジルコニアが最大1450度までの温度で焼成された後でも、最も強く安定した結晶構造を保持していることを発見しました。同時に、カルシウムリン酸塩はヒドロキシアパタイトとベータ型三リン酸カルシウムとして知られる特定の相へと変化しました。これらは、人体が新しい骨を構築するために使用するまさにそのミネラルです。この二相構造により、最終的な物体は単なる2種類の粉末の混合物ではなく、強靭なジルコニアがバイオアクティブなカルシウムリン酸塩が付着するための「骨格」となる、一体化した材料となりました。研究者たちは、高度なイメージング技術と光散乱技術を用いてこれらの変化を確認し、製造プロセス中に材料が安定しており、より弱い形態に分解していないことを検証しました。

あらゆる骨代替材料の真のテストは、それが身体の物理的な力に耐えられるかどうか、そして生細胞がそれを受け入れるかどうかです。研究者が、カルシウムリン酸塩を35パーセント含む最も優れた性能を示したサンプルに対して強度テストを行ったところ、180メガパスカルの圧縮力に耐えられることがわかりました。この強度レベルは天然のヒトの骨の範囲内にしっかりと収まっており、この材料が荷重がかかる用途に適した堅牢なものであることを証明しています。さらに、ヒト線維芽細胞（一種の軟部組織細胞）をプリントされたディスクの上に置いたところ、細胞は標準的なプラスチック製のラボ用ディッシュの上と同様に、この新材料の上でも成長し、旺盛に増殖しました。これは、この材料が生体組織に対して毒性を持たず、細胞が接着するための親しみやすい表面を提供していることを示唆しており、体と統合することを目的とするあらゆるインプラントにとって極めて重要な第一歩となります。

有望な結果ではありますが、研究者たちはこれはあくまで予備的な段階であると指摘しています。彼らが作成したサンプルは中実の円柱でしたが、実際の骨のスカフォールド（足場材）は、血管が成長できるように中空であったり、穴のネットワークがあったりする必要があります。また、カルシウムリン酸塩の含有量が非常に高いサンプルは扱いやすすぎるほど脆くなることも観察されており、構造が強度を失う前に、どれだけの量の骨様材料を添加できるかには限界があることを示しています。チームは、彼らの手法が軽量で強く、生物学的に親和性の高いセラミック複合材料の作成に成功したと結論付けましたが、今後の研究では、これらの構造の内部構造を精緻化し、骨形成細胞を用いたテストや、臨床現場で実際に骨を再生できるかどうかを確認するための生体内での動物実験に焦点を当てる必要があるとしています。