インプラント表面のアモルファスカーボン修飾：FAK/ERK1/2シグナル伝達経路を介して多様なバイオマテリアルの骨形成分化を促進するための一般的な戦略

Amorphous carbon modification on implant surface: a general strategy to enhance osteogenic differentiation for diverse biomaterials via FAK/ERK1/2 signaling pathways.

• Xinran Zhang
• Haotian Li
• Jiaqiang Liu
• Hui Wang
• Wenjun Sun
• Kaili Lin
• Xudong Wang
• Steve Guofang Shen

抄録

骨インプラントは骨の修復に重要な役割を果たしています。しかしながら、骨再生のための骨誘導性の低さや、骨形成分化能の低さは、骨インプラントの欠点である。そのため、既存のインプラントの生物活性を促進するためには、一般的で簡便な技術の開発が不可欠である。ここでは、マグネトロンスパッタリング法を用いて、バイオセラミックス、バイオメタル、バイオポリマーなどの多様な生体材料上に骨形成を促進するためのアモルファスカーボンコーティング法を開発した。その結果、非晶質カーボンコーティングを施した表面は、あらゆる種類の生体材料表面上で骨髄間葉系幹細胞（BMSC）の骨形成を有意に促進することが確認された。さらに、この非晶質カーボンコーティングの骨形成効果には、FAK/ERK1/2シグナル伝達経路が関与していることが明らかになった。また、ラットのふくらはぎ骨欠損モデルを用いた骨再生能を調べたところ、アモルファスカーボンコーティングは骨形成とミネラル化を促進することが確認され、アモルファスカーボンコーティングの生体内骨形成促進効果が示唆された。以上の結果から、アモルファスカーボンで表面を修飾するアプローチは、多様な生体材料の骨形成を促進するための一般的かつ簡便な戦略であり、骨修復への応用が期待できることが示唆された。

Bone implants play a crucial role in bone repairing. Nevertheless, low capability of osteoinductivity and osteogenic differentiation for bone regeneration are disadvantages of bone implants. Therefore, it is imperative to develop a general and facile technology to promote the bioactivity of existing implants. Herein, a facile amorphous carbon-coating approach was developed to stimulate osteogenesis on diverse biomaterials, including bioceramics, biometals, and biopolymers via magnetron sputtering deposition. The results confirmed that the amorphous carbon-coating-modified surfaces could significantly enhance osteogenesis of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) on every kind of biomaterial surface. Furthermore, it was demonstrated that the FAK/ERK1/2 signaling pathways were involved in the osteogenic effects of this amorphous carbon coating. The bone regeneration ability using the calvarial bone defect model of rats confirmed that the amorphous carbon coating induced faster bone formation and mineralization, which suggested the effect of amorphous carbon coating on stimulating osteogenesis in vivo. These results suggest that the approach involving modifying a surface with amorphous carbon provides a general and simple strategy to enhance the osteogenesis for diverse biomaterials, and this has promising potential for bone repairing applications.