逆圧電効果による骨再生の促進、機械的刺激の新たな適用法

Enhancement of Bone Regeneration Through the Converse Piezoelectric Effect, A Novel Approach for Applying Mechanical Stimulation.

抄録

骨に深刻な損傷を受けると、作業能力の制限や高額な費用など、患者の生活に壊滅的な影響を及ぼす。整形外科用インプラントは、骨折や大きな骨欠損を修復するために、骨の自然な再生能力を超える程度まで傷の治癒を助けることができます。インプラントは自家移植や同種移植が一般的ですが、ドナー部位の合併症や移植可能な骨の量に限りがあること、コストが高いことなどのデメリットから、合成骨移植による代用品への需要が高まっています。しかし、生体骨の複雑な生理的特性を再現すること、ましてやその複雑な組織機能を再現することは困難である。骨の自然治癒プロセスを模倣した生体適合性インプラントを設計するための幅広い取り組みにより、骨には天然の圧電特性があることから、圧電性スマート材料の研究が行われてきました。圧電材料は、機械的ストレスに反応して電荷を蓄積し、直接圧電効果によって生体電気信号を模倣するか、または逆圧電効果によって電気刺激に反応して機械刺激を与えることによって、骨の再生を促進する。どちらの効果も有益ですが、逆圧電効果は、治癒欠損の機械的応答を改善することにより、応力遮蔽と不動からくる骨萎縮に対処することができます。機械的刺激は、骨形成を増加させ、骨吸収を減少させる細胞経路を活性化することにより、骨再生にプラスの影響を与える。このレビューでは、有益な細胞経路の活性化、圧電生体材料の特性、および無線制御を用いた逆圧電効果のより効果的な投与の可能性について議論することにより、骨再生を促進する逆圧電効果の可能性を強調する。

Serious bone injuries have devastating effects on the lives of patients including limiting working ability and high cost. Orthopedic implants can aid in healing injuries to an extent that exceeds the natural regenerative capabilities of bone to repair fractures or large bone defects. Autografts and allografts are the standard implants used, but disadvantages such as donor site complications, a limited quantity of transplantable bone, and high costs have led to an increased demand for synthetic bone graft substitutes. However, replicating the complex physiological properties of biological bone, much less recapitulating its complex tissue functions, is challenging. Extensive efforts to design biocompatible implants that mimic the natural healing processes in bone have led to the investigation of piezoelectric smart materials because the bone has natural piezoelectric properties. Piezoelectric materials facilitate bone regeneration either by accumulating electric charge in response to mechanical stress, which mimics bioelectric signals through the direct piezoelectric effect or by providing mechanical stimulation in response to electrical stimulation through the converse piezoelectric effect. Although both effects are beneficial, the converse piezoelectric effect can address bone atrophy from stress shielding and immobility by improving the mechanical response of a healing defect. Mechanical stimulation has a positive impact on bone regeneration by activating cellular pathways that increase bone formation and decrease bone resorption. This review will highlight the potential of the converse piezoelectric effect to enhance bone regeneration by discussing the activation of beneficial cellular pathways, the properties of piezoelectric biomaterials, and the potential for the more effective administration of the converse piezoelectric effect using wireless control.