提高骨缺损填补材料和牙科修复材料的功能

发布日期: 2025/09/11

提高骨缺损填补材料和牙科修复材料的功能

-开发抗菌性和骨形成促进功能并存的生物材料用玻璃-

重点

面向只由邻四面体构成的生物材料的MgO-ZnO-P₂O₅-SiO₂开发系统玻璃
通过锌离子适度溶出，兼具优异的抗菌活性和促进骨形成的功能
作为提高成骨相关基因表达的生物适应材料备受期待

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

概要

国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下称为“产总研”)多材料研究部门主任研究员李诚镐与中部大学工学部应用化学科樱井诚教授、大阪大学研究生院工学研究科中野贵由教授、名古屋工业大学春日敏宏名誉教授共同开发了兼具抗菌性和促进骨形成功能的面向生物材料的玻璃(以下称为“生物用玻璃”)₂O₅-SiO₂开发了系玻璃。

生物玻璃放入体内时显示出与骨和生物组织直接结合的生物活性，作为骨缺损的填补材料、牙周病治疗用材料、知觉过敏护理用材料已经实用化。生物体用玻璃中以磷酸盐为主成分的磷酸盐玻璃可以导入各种元素，将该元素作为无机离子溶出细胞功能中的地图册条目上单击鼠标右键。另一方面，无机离子供给过剩时，有可能阻碍细胞功能。在无机离子中，锌作为与骨形成相关的生物体必须微量元素，也作为显示抗菌性的元素为人所知，但对细胞有毒性，在开发利用锌离子的生物材料时，必须严格控制其溶出行为。

这次，玻璃网眼结构作为形成的构成要素使用锌，控制其溶出量，使之兼具优异的抗菌性和骨形成促进功能的MgO-ZnO-P₂O₅-SiO₂开发了系玻璃。以往磷酸盐玻璃是磷酸盐的PO₄四面体之间通过了氧的共价键长链状结构的骨架，但此次开发的玻璃具有独特的玻璃网眼结构，不包含氧的共价键引起的长链状结构。本研究成果表明，锌和其他成分从玻璃中溶出，可以提高骨形成相关基因的表达量，是新的生物适应材料可以期待他对开发的贡献。

另外，该研究成果的详细情况于2025年9月6日(中欧时间)根据《高级健康卡材料”中被选中。

开发的社会背景

生物材料是指与生物体直接接触以治疗、修复、功能辅助为目的的材料，从20世纪60年代到20世纪70年代，开发出了即使埋植在生物体中也不会带来有害作用的生物相容性材料，从20世纪80年代开始，主要研究生物活性材料和生物吸收性材料。近年来，具有通过细胞活性化进行组织再生功能的材料的开发变得兴盛起来。其中，生物体用玻璃通过与生物体直接接触，溶解出具有活化细胞促进骨形成作用的无机离子，因此被用于骨缺损的填补材料和牙科修复材料等。

生物玻璃中以磷酸盐为主要成分的磷酸盐玻璃，与窗玻璃等通用的硅酸盐玻璃相比，可以导入多种元素。进入玻璃的无机成分容易作为无机离子溶出，显示出优异的细胞活性化功能。但是，如果量过多的话，也有可能阻碍细胞功能。因此，制作以活化细胞功能的无机成分及磷酸盐玻璃为母材的生物用玻璃时，需要严格控制从玻璃中溶出的无机离子的量。

研究的经过

产综合研究所为了创制赋予了无机离子细胞活性化功能的生物用玻璃，正在推进以磷酸盐玻璃为母材的生物用玻璃的开发。特别是通过考虑导入的元素和在玻璃中的作用等适当地设计、控制玻璃的网眼结构，致力于开发使离子从材料中溶出的行为最优化的生物体用玻璃。

另外，本研究得到了日本学术振兴会( JSPS )科研经费( 22K18201、23KK0272、24K22400 )、双边交流事业( 120258813 )、玻璃联合会以及新玻璃论坛玻璃研究振兴计划的支持。

研究内容

形成玻璃骨架结构(玻璃网状结构)的基本单元以磷( p )或硅( Si )为中心，以氧( o )为四个顶点，磷酸盐的PO₄四面体或硅酸盐的SiO₄是四面体，这些称为网眼形成成分。另一方面，钠( Na )和钙( Ca )等碱金属、碱土金属被称为网眼修饰成分，是磷酸盐和硅酸盐的非交联氧中添加必要的图元。

锌( Zn )和镁( Mg )可以同时发挥网眼形成成分和网眼修饰成分的作用，但在不控制的情况下导入玻璃时，ZnO₆和MgO₆的6配位结构。该结构的结合力比磷和硅弱，因此不会成为形成玻璃骨架结构的网眼形成成分，而是作为网眼修饰成分发挥作用。

此次开发的MgO-ZnO-P₂O₅-SiO₂系玻璃( SPG-CZ/-MCZ/-MZ )是锌和镁为ZnO₄四面体，MgO₄以四面体的形式PO₄四面体或SiO₄起到连接四面体的作用。一般来说，磷酸盐和硅酸盐等网眼形成成分之间不连接的情况下，非常容易结晶化，不能制造玻璃。很难制作磷酸盐和硅酸盐共存于玻璃网眼结构中的玻璃，只有其中一种成分极端多的情况下才能得到玻璃。另外，磷酸盐玻璃具有比硅酸盐玻璃少网眼形成成分的组成(少的p₂O₅含量)但是玻璃化。开发的玻璃是PO₄四面体或SiO₄四面体不相互连接而独立存在，在其间ZnO₄四面体或MgO₄由于四面体是相连的结构，磷酸盐和硅酸盐两者都是在玻璃网眼结构中大量共存的结构。

在开发的玻璃中，PO₄四面体或SiO₄四面体不相互连接，而是单独存在邻四面体也就是说，³¹p、²⁹Si固体核磁共振分析(固体NMR )中找到(图1 )。例如，PO₄如果有两个四面体连接的结构，³¹P MAS-NMR的峰值在-10 ppm附近，PO₄四面体几个相连形成链状结构时，在-20 ppm附近出现峰值。同样，²⁹在Si MAS-NMR中，也是SiO₄四面体2个相连时在-80 ppm附近出现峰值，链状结构时在-85 ppm附近出现峰值。

这次，为了使锌和镁承担作为网眼形成成分的作用，形成玻璃骨架结构的p₂O₅使的含量极端减少，PO₄控制在四面体难以相互连接的组成。结果，特别是同时导入了锌和镁SPG-MZ和SPG-MCZ玻璃，由于PO₄、SiO₄、MgO₄、ZnO₄的邻四面体形成了玻璃网格结构。

图1开发的玻璃的³¹p (左)、²⁹Si (右)固体NMR的光谱。 ( SPG-MC: MgO-CaO-P₂O₅-SiO₂玻璃(现有的正硅酸盐玻璃)、SPG-CZ: CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂玻璃，SPG-MCZ: MgO-CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂玻璃，SPG-MZ: MgO-ZnO-P₂O₅-SiO₂玻璃)

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

另外，导入玻璃的锌离子，一方面具有表现出优异的抗菌性·化学耐久性的优点，另一方面，在生物体中过量溶出的话，也有时会对细胞显示毒性。因此，开发使用锌的生物材料时，有必要将锌离子溶出量控制在对细胞没有毒性的范围内。此次开发的玻璃中导入的锌是ZnO₄作为四面体，是将磷酸盐和硅酸盐强力连接的玻璃网眼形成成分，因此含有锌的玻璃中的各种离子向细胞中的溶出得到了很大的抑制。不含锌现有的正硅酸盐玻璃(图2(a ) SPG-MC )到7日为止约有40%的离子溶出，与此相对，此次开发的含有适量锌的玻璃(图2(b-d ) spg-cz/- mcz/) 开发的玻璃( SPG-CZ/-MCZ/-MZ )的锌离子溶出量在0.08 mM以下，显示出比阻碍细胞增殖性50%的浓度0.1 mM低的值。另外，通过对人成骨细胞的增殖性评价，确认了溶出的锌离子不显示细胞毒性。

图2将开发的玻璃在Tris缓冲溶液( pH 7.4 )中浸渍规定时间后的离子溶出率。 ( SPG-MC: MgO-CaO-P₂O₅-SiO₂玻璃(现有的正硅酸盐玻璃)、SPG-CZ: CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂玻璃，SPG-MCZ: MgO-CaO-ZnO-P₂O₅-SiO₂玻璃，SPG-MZ: MgO-ZnO-P₂O₅-SiO₂玻璃)

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

为了确认锌离子的抗菌性，在含锌玻璃的存在下，调查了大肠杆菌、金黄色葡萄球菌分别培养24小时后的菌数(图3 )。与没有玻璃而仅用菌培养时的菌数(图中的Control )相比，发现2位数以上的菌数减少时，可以判断为具有抗菌性。不含锌的玻璃( SPG-MC )显示与Control同等的菌数，可以看出没有抗菌性。另一方面，此次开发的含锌玻璃( SPG-CZ/-MCZ/-MZ )，在图表上除了2位以上的菌数减少外，还显示出接近可以用装置计数的下限( Blank :仅在无细菌的培养基中测定)的值。为了求出更详细的菌数，对琼脂培养基上的菌落形成数进行计数的结果(图3内表)显示出使菌数减少约6个数量级的优异抗菌性。

图3开发的玻璃( SPG-CZ/-MCZ/-MZ )和培养24小时后( a )大肠杆菌、( b )金黄色葡萄球菌的数量。内表:使用琼脂培养基计数的菌数。

( Blank :无细菌，Control :有细菌，样品名称:细菌+各玻璃样品)

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

还调查了骨形成促进功能。成骨细胞成骨过程中各阶段，早期有ⅰ型胶原( Col I)、中期有碱性磷酸酶( ALP )、骨钙素( OPN )、后期有骨钙素( OCN )的代表性基因一般来说，如果比比较对象显示1.5倍以上的值，就可以判断促进了基因表达。在含有从开发的玻璃( SPG-CZ/-MCZ/-MZ )中溶出的离子的培养基中培养的人成骨细胞，在所有成骨相关基因中，与Control (使用成骨变快的成骨分化诱导培养基)相比，中期的ALP和后期的ocol 此外，与不含锌的玻璃相比，含锌的玻璃显示出了更高的基因表达量。特别是在成骨后期表达的OCN，显示出比不含锌玻璃的玻璃高出约1.8倍的基因表达量。这些结果表明，开发的玻璃同时具有抗菌性和促进骨形成的效果，并表明能够设计出导入的锌以适度浓度溶出的玻璃网眼结构。

图4使用含有从开发的玻璃( SPG-CZ/-MCZ/-MZ )中提取的离子的细胞培养培养基培养人成骨细胞2周后成骨相关基因的相对表达量。 ( a ) I型胶原蛋白( Col I )、( b )碱性磷酸酶( ALP )、( c )骨钙素( OPN )、( d )骨钙素( OCN )。

( Control :成骨分化诱导培养基，样品名称:含有从各玻璃溶出无机离子的培养基)

※使用的是引用原论文的图改变后的东西。

今后的计划

今后，将充分利用开发出的玻璃抗菌性和促进骨形成的效果，使用牙科用材料和组织工程学转向了细胞支架材料进行的开发。

论文信息

刊登的杂志:高级健康卡材料

标题: preparation of bi functional orthosilicophosphate MgO-Cao-ZnO-p₂O₅-SiO₂glasses:in vitro evaluation of antibacterial activity and osteoblast gene expression behavior

作者名称: Sungho Lee*，Hayato Asano，Makoto Sakurai，Takayoshi Nakano，and Toshihiro Kasuga

DOI:10.1002/adhm.202502546

用语解说

细胞功能

是指细胞在材料表面表现出的粘附、增殖、分化等生理活动。这些功能对生物材料的组织修复起重要作用。

玻璃网眼结构

一般是网眼形成成分( SiO₂和p₂O₅等)相连的长链状结构形成的玻璃骨架结构。

长链状结构

磷酸盐的PO₄四面体或硅酸盐的SiO₄四面体共享顶点的氧并连接，形成链状的结构。

生物适应材料

由材料主体控制生物现象的生物材料。也称为生物自适应材料。

交联氧非交联氧

在形成玻璃网状结构硅酸盐和磷酸盐四面体顶点的氧中，与相邻四面体共享以形成玻璃网状结构的氧称为交联氧，不共享的氧称为非交联氧。

邻四面体

不含交联氧的网眼形成成分，以1个四面体为构成单元。

固体核磁共振分析(固体NMR )

这是分析形成玻璃骨架结构的磷酸盐和硅酸盐的结合状态的方法之一。 NMR是Nuclear Magnetic Resonance的缩写。测量固体时，为了消除样品的方向依赖性，采用54.7度倾斜状态下高速旋转测量的方法，称为魔力角试料旋转( Magic Angle Spinning，MAS )核磁共振分析( MAS-NMR )。

CFU

菌落形成单位( Colony Forming Unit )的简称，是计算培养细菌时形成的菌落数量，推测活细菌数量的单位。本研究中，菌数和CFU表达相同的含义。

组织工程学

以生物组织的再生和修复为目的，融合了细胞、生物材料、工程技术的学问领域。人工组织，以恢复内脏器官功能为目标。

细胞支架材料

为细胞粘附、增殖、分化提供结构体的生物材料。

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