アモルファスシリカ繊維マトリックスバイオマテリアル。組織工学のための材料合成と特性評価に関する分析

Amorphous silica fiber matrix biomaterials: An analysis of material synthesis and characterization for tissue engineering.

抄録

Bioglassを含むシリカバイオマテリアルは、優れた生体適合性と生物活性を有するが、組織工学に必要な細孔と分解機能を提供することができない。ここでは、これらの限界を克服するための新しい非晶質シリカファイバーマトリックスの合成と特性評価について報告する。アモルファスシリカ繊維を焼結により溶融し、多孔質マトリックスを作製した。また，ポリビニルアルコール（PVA）やセルロース繊維（CF）などの犠牲ポリマー添加物が焼結プロセスに及ぼす影響も検討した。1,350-1,550℃の焼結温度で形成されたマトリックスは、繊維構造を保持していた。マトリックスは50-200μmの範囲の細孔を示したが、焼結温度が高くなると細孔径が大きくなった。シリカへのPVA添加は、CF添加の有無にかかわらず、シリカマトリックスと比較して細孔径と気孔率を有意に減少させた。PVA添加物は形態学的にシリカ繊維をより大きく融着させるように見え、合成された他のマトリックスよりも有意に高い圧縮弾性率と強度をもたらした。これらのマトリックスは，40 週間の分解試験で元の質量の約 30%が失われた。すべてのマトリックスは500wt%の水を吸収し、水和によって全体の形態、サイズ、形状に変化はなかった。これらの繊維マトリックスは、ヒト間葉系幹細胞の接着、増殖、および鉱化マトリックス産生を支持した。今回報告した非晶質シリカファイバー生体材料/マトリックスは、生分解性で多孔質であり、本来の細胞外マトリックス構造と吸水能に酷似している。ここで報告された方法論を拡張してマトリックスの特性を変化させることにより、様々な組織工学、インプラント、ドラッグデリバリーへの応用が期待される。

Silica biomaterials including Bioglass offer great biocompatibility and bioactivity but fail to provide pore and degradation features needed for tissue engineering. Herein we report on the synthesis and characterization of novel amorphous silica fiber matrices to overcome these limitations. Amorphous silica fibers were fused by sintering to produce porous matrices. The effects of sacrificial polymer additives such as polyvinyl alcohol (PVA) and cellulose fibers (CF) on the sintering process were also studied. The resulting matrices formed between sintering temperatures of 1,350-1,550 °C retained their fiber structures. The matrices presented pores in the range of 50-200 μm while higher sintering temperatures resulted in increased pore diameter. PVA addition to silica significantly reduced the pore diameter and porosity compared with silica matrices with or without the addition of CF. The PVA additive morphologically appeared to fuse the silica fibers to a greater extent and resulted in significantly higher compressive modulus and strength than the rest of the matrices synthesized. These matrices lost roughly 30% of their original mass in an degradation study over 40 weeks. All matrices absorbed 500 wt% of water and did not change in their overall morphology, size, or shape with hydration. These fiber matrices supported human mesenchymal stem cell adhesion, proliferation, and mineralized matrix production. Amorphous silica fiber biomaterials/matrices reported here are biodegradable and porous and closely resemble the native extracellular matrix structure and water absorption capacity. Extending the methodology reported here to alter matrix properties may lead to a variety of tissue engineering, implant, and drug delivery applications.