バイオセラミックスが私たちの体内に入り込んでいる

21世紀以降、新素材は私たちの日常生活に徐々に浸透してきました。新素材であるバイオセラミックスは、人々の生活と健康に大きな利便性をもたらし、近年、医療機器や生体材料の分野からますます注目を集めています。

バイオセラミックスとは、特定の生物学的または生理学的機能に使用されるセラミックス材料の一種であり、すなわち、生物学、医学、生化学など、人体で直接使用される、または人体に直接関連するセラミックス材料である。生体適合性に優れ、物理化学的性質が安定しているため、整形外科、歯科、形成外科、口腔外科、心臓血管外科、眼科などで広く使用されている。

また、バイオセラミックスの生体内での活性によって、活性型バイオセラミックスと不活性型バイオセラミックスに分けられます。本ニュースでは、後者からバイオセラミックスを以下のように分類する。

生体不活性セラミックス

バイオイナートセラミックスは、アルミナ、ジルコニアなどの安定した化学的性質と良好な生体親和性を持ち、その物理的・機械的性質や機能的性質が人体組織に適合する。その主な特徴は、高い機械的強度と強い耐摩耗性である。

ジルコニア（ZrO2）

ジルコニア・セラミックスは、歯科用修復材料の中では圧倒的に強度が高く、整形外科用の人工股関節にも広く使用されています。ジルコニア材料と骨芽細胞はin vitroで共培養され、生体適合性が確認された。整形外科領域では、ジルコニアセラミックスは主に人工股関節に使用されている。しかし、ジルコニアセラミックスの接合強度は不十分であり、接合安定性に影響を及ぼしている。現在、セラミックスの接合性能を向上させるために、酸エッチングやサンドブラストなどの表面処理法が多く適用されている。その上、ジルコニア・セラミック材料の脆さはその使用に影響するので、人々は通常、それを改善するために強靭化法を採用している。

アルミナ (Al2O3)

1970年代、アルミナ・セラミックは人工股関節全置換術（THA）に使用され始めました。2000HV以上の硬度を持つアルミナ・セラミックスは、in vitroではヒト線維芽細胞に対してわずかな毒性しか持たず、その機械的特性は体内環境で長期間変化しない。熱等方加圧成形とレーザーエッチング技術の応用により、三世代アルミナセラミックスの粒径は小さくなり、純度と密度が高くなり、強度と硬度が大幅に向上し、破砕率が低下した。アルミナセラミックスの高い硬度と良好な耐摩耗性により、アルミナセラミックスは整形外科THAにおける主要な生体材料となっている。

炭化ケイ素（SiC）

近年、炭化ケイ素セラミックスの口腔医療への応用が試みられている。インプラント材料としての炭化ケイ素セラミックスは、科学的研究や臨床研究においてますます支持されるようになり、生体適合性や毒性の側面から探索的研究が行われている。炭化ケイ素セラミックスの表面にバイオガラスコーティングを施し、炭化ケイ素セラミックスの生物活性をさらに高めた。

生物活性セラミックス

生分解性セラミックスとしても知られる生物活性セラミックスには、表面生物活性セラミックスと生体吸収性セラミックスがある。バイオサーファクタントセラミックスは、通常、水酸基を含み、多孔質であるため、生体組織がその表面で増殖し、強固に結合することができます。生体吸収性セラミックスは、部分的または全体的に吸収され、生体内の新生骨の成長を誘導するという特徴がある。生体活性セラミックスには、生体活性ガラス（リン酸カルシウム）、ハイドロキシアパタイトセラミックス、リン酸三カルシウムセラミックスなどがある。

ハイドロキシアパタイトセラミックス（HAP）

ハイドロキシアパタイトの機械的性質を向上させるために、作製したコンパクトHAPの機械的性質を改善した。しかし、見かけの気孔率は比較的小さい。人体に移植しても表面に骨が形成されるだけで、骨形成を誘導する能力に欠け、骨形成の足場としてしか利用できない。

そこで、多孔質ハイドロキシアパタイトセラミックスに着目。その結果、多孔質リン酸カルシウムインプラントが骨マトリックスの構造を模倣し、骨誘導能を有することが判明した。この多孔質リン酸カルシウムインプラントは、新しい骨組織の成長のための足場とチャネルを提供することができる。そのため、移植後のインプラントの組織反応は、緻密なセラミックよりも著しく改善された。

バイオガラスセラミック

バイオガラスセラミックの主成分はCaO-Na2O-SiO2-P2O5であり、通常の窓ガラスよりも多くのカルシウムとリンを含み、自然に骨と化学的に強固に結合することができる。他の生体材料とは異なるユニークな特性を持ち、移植部位で速やかに一連の表面反応を起こし、最終的に炭酸塩を主成分とするアパタイト層の形成に至る。バイオガラスセラミックスの生体適合性は良好である。拒絶反応や炎症、組織の壊死を起こすことなく体内に移植され、骨との結合体を形成することができる。

現在、この材料は小さな耳の骨の修復に使われており、聴力の回復に良い効果をもたらしている。しかし、強度が低いため、力があまりかからない部位にしか使用できない。ゾル-ゲル法で調製した材料は、純度が良く、均質性が高く、生物活性が高く、比表面積が大きいという特徴があり、研究・応用価値が高い。特に、この生理活性ガラス多孔体は、骨組織工学の足場として利用できる可能性が高い。

硫酸カルシウム

医療用硫酸カルシウムは半水和物の結晶であるため、完全に分解された後は体内の血清カルシウム濃度に明らかな影響を与えない。水と結合した後は固形のインプラントになり、水溶性抗生物質の担体として使用できる。硫酸カルシウムは低温で自己凝固し、末梢神経組織に損傷を与えず、潜在的な骨誘導・放出カルシウムイオンを有する。弱酸性環境の協力のもと、局所的に高いカルシウムイオンは骨芽細胞のカルシウム感受性レセプターと結合し、骨細胞の増殖と分化を促進し、オステオイドの形成を調節することができる。しかしながら、純粋な硫酸カルシウムステントの骨形成能には限界があり、骨膜が存在する場合にのみ、硫酸カルシウムステントは何らかの代替的な骨形成能を有することができる。

バイオセラミックスのホットスポット

複合材料

バイオセラミックスの機械的特性、安定性、生体適合性を改善するために、多くの材料研究者が複合バイオセラミックスについて多くの研究を行ってきた。一般的なマトリックス材料としては、生体高分子材料、炭素材料、生体ガラス、リン酸カルシウムバイオセラミックスなどがあり、補強材料としては、炭素繊維、ステンレス鋼またはコバルト基合金繊維、バイオガラスセラミック繊維、セラミック繊維、その他の繊維補強材などがある。さらに、ジルコニア、リン酸カルシウム系バイオセラミックス、バイオガラス系セラミックスなどの粒子強化材がある。

ナノテクノロジー

表面効果、小サイズ効果、量子効果などのナノメートル材料のユニークな特性により、ナノメートルバイオセラミックス材料は、人工骨、人工関節、人工歯などの硬組織代替材料の製造および臨床応用の分野で超性能を発揮し、幅広い応用の見通しを持っています。

生体活性セラミックスの面では、現在の主な研究は、微細な天然骨の構造をシミュレートすることである。天然骨中のハイドロキシアパタイトは、主に長さ10〜60nm、幅2〜6nmの針状結晶から構成されている。そのため、現在のHAPナノ材料の研究は、主にナノHAP結晶、ナノHAP/ポリマー複合材料、ナノHAPコーティング材料に焦点を当てている。