三重周期極小表面に基づく3Dプリント多孔質ジルコニア生体材料は、骨免疫調節と骨・血管新生を制御することにより、in vitroでオッセオインテグレーションを促進する

3D Printed Porous Zirconia Biomaterials based on Triply Periodic Minimal Surfaces Promote Osseointegration In Vitro by Regulating Osteoimmunomodulation and Osteo/Angiogenesis.

抄録

三重周期極小表面（TPMS）は、平均表面曲率がほとんど存在せず、表面積対体積比が高く、機械的エネルギー吸収特性が非常に優れているため、骨組織工学にとって非常に有用な構造である。しかし、骨再生のためのTPMS構造を用いたバイオニックジルコニアインプラントに関する文献は限られている。ここでは、デジタル・ライト・プロセッシング（DLP）技術を採用して、4種類のジルコニアベースのTPMS構造を作製した：P-cell、S14、IWP、Gyroidである。細胞増殖に関しては、4種類の多孔性TPMS構造体は、固体のジルコニア・グループを上回った（P-cell＞S14＞Gyroid＞IWP＞ZrO）。異なる多孔質表面の生物学的反応と骨形成特性に関するin vitro評価では、骨形成能力（IWP＞Gyroid＞S14＞P-cell＞ZrO）と機械的特性（ZrO＞IWP＞Gyroid＞S14＞P-cell）が優れていることから、IWPとGyroid構造が、多孔質ジルコニア・インプラントの将来の臨床応用の有望な候補であることが確認された。さらに、IWP/Gyroid表面の物理的特性は、固形ジルコニア表面と比較して、マクロファージのM1表現型の分極を減少させる一方、M2表現型の分極を増加させることにより、骨免疫調節に対してより実質的な効果を示した。さらに、IWP群とGyroid群は、免疫骨形成能と血管新生能の向上を示した。これらの知見を総合すると、骨／血管新生と免疫制御におけるトポロジーが、骨統合を促進する上で大きな影響を与えることが明らかになった。

The triply periodic minimal surface (TPMS) is a highly useful structure for bone tissue engineering owing to its nearly nonexistent average surface curvature, high surface area-to-volume ratio, and exceptional mechanical energy absorption properties. However, limited literature is available regarding bionic zirconia implants using the TPMS structure for bone regeneration. Herein, we employed the digital light processing (DLP) technology to fabricate four types of zirconia-based TPMS structures: P-cell, S14, IWP, and Gyroid. For cell proliferation, the four porous TPMS structures outperformed the solid zirconia group (P-cell > S14 > Gyroid > IWP > ZrO). In vitro assessments on the biological responses and osteogenic properties of the distinct porous surfaces identified the IWP and Gyroid structures as promising candidates for future clinical applications of porous zirconia implants because of their superior osteogenic capabilities (IWP > Gyroid > S14 > P-cell > ZrO) and mechanical properties (ZrO > IWP > Gyroid > S14 > P-cell). Furthermore, the physical properties of the IWP/Gyroid surface had more substantial effects on bone immune regulation by reducing macrophage M1 phenotype polarization while increasing M2 phenotype polarization compared with the solid zirconia surface. Additionally, the IWP and Gyroid groups exhibited enhanced immune osteogenesis and angiogenesis abilities. Collectively, these findings highlight the substantial impact of topology on bone/angiogenesis and immune regulation in promoting bone integration.