自己架橋型酸化アルギン酸-カルボキシメチルキトサンハイドロゲルによる体外歯エナメル質再生のための注射用細胞キャリアー

Self-Crosslinkable Oxidized Alginate-Carboxymethyl Chitosan Hydrogels as an Injectable Cell Carrier for In Vitro Dental Enamel Regeneration.

抄録

ハイドロゲルは、歯科組織再生のための細胞や成長因子を取り込むためのキャリアとして、大きな可能性を秘めている。しかし、適切な構造と特性を有する注射用ハイドロゲルの開発は困難であり、細胞適合性、抗菌性、自己修復性、歯科幹細胞の機能をサポートする能力などの点で多くの要望が残されている。本論文では、酸化アルギン酸とカルボキシメチルキトサンからなる新規な自己架橋型ハイドロゲルの開発と、in vitroでの歯科エナメル質再生のための細胞キャリアとしての特性について検討した結果を報告する。酸化アルギン酸は過ヨウ素酸酸化により理論酸化度60%で合成し、Fourier Transform Infrared spectroscopy, proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, Ultraviolet-visible absorption spectroscopyにより特性を評価した。次に、酸化アルギン酸とカルボキシメチルキトサンの重量比を3種類（4：1、3：1、2：1）変えて、シッフ塩基反応によりハイドロゲルを作製し、フーリエ変換赤外分光法により確認した。これらのハイドロゲルについて、ゲル化時間、膨潤率、構造、注入性、自己修復性、抗菌性、およびエナメル質再生のためのin vitroでの特性評価を実施した。その結果、検討した3つのハイドロゲルのうち、酸化アルギン酸の比率が最も高いもの（すなわち、4：1）が最も速いゲル化時間と最も低い膨潤性を有すること、すべてのハイドロゲルが高い多孔性構造を形成し、20ゲージ針で目詰まりなく注入できることが実証されました。また、注入されたハイドロゲルは自己修復性を持ち、速やかに再形成されることがわかった。また、このハイドロゲルは2つの虫歯菌、および...に対して抗菌性を示した。In vitroでのエナメル質再生については、歯科上皮細胞株であるHAT-7を調べたところ、注入中のハイドロゲル内で高い細胞生存率が確認された。さらに、ハイドロゲルに内包されたHAT-7細胞は、14日間のin vitro培養後、アルカリホスファターゼ産生とミネラル沈着を示し、その円形の形態も維持された。以上のことから、本研究は、酸化アルギン酸-カルボキシメチルキトサンハイドロゲルが、歯科エナメル質組織工学用途の注射用細胞キャリアとして使用できることを示す証拠となった。

Injectable hydrogels, as carriers, offer great potential to incorporate cells or growth factors for dental tissue regeneration. Notably, the development of injectable hydrogels with appropriate structures and properties has been a challenging task, leaving much to be desired in terms of cytocompatibility, antibacterial and self-healing properties, as well as the ability to support dental stem cell functions. This paper presents our study on the development of a novel self-cross-linkable hydrogel composed of oxidized alginate and carboxymethyl chitosan and its characterization as a cell carrier for dental enamel regeneration in vitro. Oxidized alginate was synthesized with 60% theoretical oxidation degree using periodate oxidation and characterized by Fourier Transform Infrared spectroscopy, proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, and Ultraviolet-visible absorption spectroscopy. Then, hydrogels were prepared at three varying weight ratios of oxidized alginate to carboxymethyl chitosan (4:1, 3:1, and 2:1) through Schiff base reactions, which was confirmed by Fourier Transform Infrared spectroscopy. The hydrogels were characterized in terms of gelation time, swelling ratio, structure, injectability, self-healing, antibacterial properties, and in vitro characterization for enamel regeneration. The results demonstrated that, among the three hydrogels examined, the one with the highest ratio of oxidized alginate (i.e., 4:1) had the fastest gelation time and the lowest swelling ability, and that all hydrogels were formed with highly porous structures and were able to be injected through a 20-gauge needle without clogging. The injected hydrogels could be rapidly reformed with the self-healing property. The hydrogels also showed antibacterial properties against two cariogenic bacteria: and . For in vitro enamel regeneration, a dental epithelial cell line, HAT-7, was examined, demonstrating a high cell viability in the hydrogels during injection. Furthermore, HAT-7 cells encapsulated in the hydrogels showed alkaline phosphatase production and mineral deposition, as well as maintaining their round morphology, after 14 days of in vitro culture. Taken together, this study has provided evidence that the oxidized alginate-carboxymethyl chitosan hydrogels could be used as an injectable cell carrier for dental enamel tissue engineering applications.