3Dプリンターで作製した中空チューブ構造のβ-リン酸三カルシウムバイオセラミックススキャフォールドの生体応答

Biological response of 3D-printed β-tricalcium phosphate bioceramic scaffolds with the hollow tube structure.

抄録

骨欠損の修復は臨床的に大きな課題であり、骨再生においては初期段階での血管確保が極めて重要である。近年、3Dプリンターで作製したバイオセラミックは、骨欠損を修復するための一般的な生体活性足場の一種である。しかし、従来の3Dプリントバイオセラミックス足場は、空隙率の低い固体支柱を積み重ねたものであり、血管新生や骨再生の能力に限界がある。中空チューブ構造は、内皮細胞を誘導し、血管系を構築することができる。本研究では、デジタルライトプロセッシング（DLP）ベースの3Dプリント戦略により、中空チューブ構造を含むβ-リン酸三カルシウム（β-TCP）バイオセラミックス足場を作製した。この足場の物理化学的性質と骨形成活性は、中空チューブのパラメータを調整することで精密に制御することが可能であった。このような足場は、固体のバイオセラミック足場と比較して、in vitroではウサギ骨間葉系幹細胞（rBMSCs）の増殖と付着活性を著しく改善し、in vivoでは初期の血管新生とその後の骨形成を促進することができた。したがって、β-TCPバイオセラミックススキャフォールドは、中空チューブ構造を持つため、クリティカルサイズの骨欠損の治療への応用が期待できる。

It is a large clinical challenge to repair critical-size bone defects, and vascularization in the early stage is of vital importance in bone regeneration. In recent years, 3D-printed bioceramic is a kind of common bioactive scaffold for repairing bone defects. However, conventional 3D-printed bioceramic scaffolds consist of stacked solid struts with low porosity, which limits the ability of angiogenesis and bone regeneration. The hollow tube structure can induce endothelial cells to build the vascular system. In this study, β-tricalcium phosphate (β-TCP) bioceramic scaffolds containing the hollow tube structure were prepared with digital light processing (DLP)-based 3D printing strategy. The physicochemical properties and osteogenic activities of prepared scaffolds could be precisely controlled by adjusting the parameters of hollow tubes. Compared with solid bioceramic scaffolds, such scaffolds could significantly improve the proliferation and attachment activity of rabbit bone mesenchymal stem cells (rBMSCs) in vitro, and facilitate early angiogenesis and subsequent osteogenesis in vivo. Therefore, β-TCP bioceramic scaffolds with the hollow tube structure possess great potential application for the treatment of critical-size bone defects.