材料/細胞・組織界面特性の改質・改良技術は,医療機器メーカや材料・化学メーカなどにおける新たな事業の柱の一つとなり得ることから,各メーカは付加価値の高い安定した市場として有望なバイオ・メディカル領域への投資を活発化させている。これらの背景を踏まえて,本書では材料/細胞・組織界面特性に着目した「材料表面処理・改質による生体適合性付与」に焦点を当て,主にセラミックス,金属および高分子材料分野の最前線で研究・製品開発,生体適合性評価法の開発などを展開している諸先生のご協力の下,基礎から応用に至る最新の知見を取りまとめた。これらの情報が,機能性医用材料を含めた新規材料の開発に携わる研究者や新規参入を狙うベンチャーを含めた各メーカにおけるバイオ・メディカル向け製品開発の一助となることを期待する。
(本書「はじめに」より抜粋)
目次
【第Ⅰ編 セラミックス】
第1章 生体組織修復のためのセラミックス材料表面改質技術
1 生体組織修復のためのセラミックス材料
2 セラミックス材料の表面改質
2. 1 歯科用レジンセメントとの接着性の向上
2. 2 生体組織との親和性の向上
2. 2. 1 ブラスト処理による表面積の増大
2. 2. 2 レーザーによる微細な幾何学的構造の付与
2. 2. 3 UV,プラズマ照射による親水化
2. 2. 4 生体活性を示すセラミックスによるコーティング
第2 章 骨結合性・伝導性向上を目指したセラミックス基材料の開発
1 はじめに
2 高気孔高連通多孔体
3 一軸連通多孔体
4 水酸アパタイト/コラーゲン骨類似ナノ複合体
5 おわりに
第3 章 アパタイトの形態制御による機能発現
1 はじめに
2 一般的なアパタイトの合成方法およびその粉体性状
3 アパタイトの結晶構造と異方性
4 アパタイトの合成およびその形態制御
4. 1 これまでの報告例
4. 2 繊維状アパタイト(c 軸方向に成長してa(b)面が発達したアパタイト単結晶粒子)
4. 3 板状アパタイト(a(b)軸方向に成長してc 面が発達したアパタイト単結晶粒子)
5 形態制御によるアパタイトの機能発現
5. 1 形態を制御したアパタイト単結晶粒子のタンパク質吸着特異性
5. 2 テンプレート粒成長法によるa(b)面を多く露出したアパタイトセラミックスの創製とその骨分化機能
6 おわりに
第4 章 リン酸カルシウム系セラミックスへの金属イオン固溶化による高機能化
1 緒言
2 生体を構成する元素
3 HAp の組成制御と金属イオンの置換メカニズム
4 α-Ca3(PO4)2 の組成制御と金属イオンの置換メカニズム
5 β-Ca3(PO4)2 の組成制御と金属イオンの置換メカニズム
6 バイオセラミックスの組成制御による高機能化
7 結言
第5 章 ヒドロキシアパタイトの結晶配向性制御および部分イオン置換による高機能化
1 ヒドロキシアパタイトの結晶構造
2 ヒドロキシアパタイトの部分イオン置換
3 ケイ酸塩ガラスやナノ結晶性酸化チタン層のアパタイト形成能
4 カルシウム含有酸化物ガラスからヒドロキシアパタイトへの転換反応
5 ヒドロキシアパタイトの結晶配向性に及ぼすpH およびフッ化物イオンの影響
6 ヒドロキシアパタイトの結晶配向性に及ぼす炭酸イオンの影響
7 c 軸配向性を有するストロンチウム置換型ヒドロキシアパタイトの作製
第6 章 リン酸オクタカルシウム(OCP)の骨再生などへの応用
1 緒言
2 OCPの材料学的性質と骨補填材としての機能
3 OCP/天然高分子複合体
3. 1 OCP/天然高分子複合体の材料学的特性とその骨形成能
3. 1. 1 OCP/ゼラチン(Gel)複合体
3. 1. 2 OCP/コラーゲン(Col)複合体
3. 1. 3 OCP/アルギン酸(Alg)複合体
3. 1. 4 OCP/ヒアルロン酸(HyA)複合体
3. 2 OCP を基材とした複合体の整形外科および歯科領域における組織再建への応用の検討
3. 2. 1 整形外科領域におけるOCP/Gel 複合体の肩回旋筋腱板再建への応用
3. 2. 2 歯科領域におけるOCP/Gel およびOCP/Col 複合体の垂直的骨造成への応用
4 結言
【第Ⅱ編 金属】
第1 章 電気化学的表面処理による金属の生体機能化
1 はじめに
2 電気化学的被覆
3 マイクロアーク酸化
4 TiO2 ナノチューブ形成
5 耐食性向上
6 カラーリング
7 カソード分極アルカリ処理
8 電着による機能分子固定化
9 理想的表面処理
第2 章 金属材料の骨伝導性向上を目指した表面改質
1 緒言
2 表面改質法
3 生体適合性評価法
4 チタンの陽極酸化と骨伝導性
5 各種合金の親水性制御
6 表面粗度および高温酸化と陽極酸化の違い
7 親水性の保持技術
8 タンパク質吸着
9 ポリマーへの応用
10 結言
第3 章 リン酸カルシウムコーティングやガス法によるチタン表面改質
1 はじめに
2 抗菌性発現表面処理
2. 1 Ag 含有非晶質リン酸カルシウム(ACP)コーティング
2. 2 可視光応答TiO2 コーティング
3 耐摩耗性向上表面処理
4 まとめ
第4 章 医療機器へのDLC コーティングによる生体適合性付与
1 はじめに
2 冠動脈ステント用のDLC の設計と適用
3 生体模倣DLC の設計と生体適合性評価
3. 1 低温プラズマ処理によるDLC 膜表面のゼータ電位制御
3. 2 バイオミメティックスDLC の生体適合性評価
4 DLC の歯科インプラントへの応用
4. 1 骨芽細胞の分化を促進するDLC
4. 2 破骨細胞の誘導を抑制するDLC
4. 3 動物を用いた骨適合性評価
5 おわりに
第5 章 生体用金属材料への異方性付与による組織形成・配向化制御
1 はじめに
2 骨組織の配向構造
2. 1 正常骨における配向性と力学特性
2. 2 骨基質配向性に影響を及ぼす因子
2. 3 骨系細胞の機能
3 配向溝導入による主応力場の制御
4 ナノ配向溝を用いた骨芽細胞配列化と骨基質配向化制御
5 おわりに
第6 章 マグネシウム合金の生体内分解特性と高分子被覆による制御
1 はじめに
2 冠動脈ステント臨床例
3 骨接合材臨床例
4 合金元素の毒性に対する懸念
5 Mg 合金の生体内分解性
6 高分子を用いた表面処理・被覆の可能性
7 おわりに
第7 章 リン酸カルシウム被覆によるマグネシウム合金の腐食速度制御
1 はじめに
2 整形外科・歯科用Mg 合金における表面処理
2. 1 Mg 合金の表面処理材料
2. 2 Mg 合金の表面処理技術
3 水溶液処理によるHAp およびOCP 被覆
4 HAp およびOCP 被覆Mg 合金の腐食挙動
4. 1 細胞培養液中での腐食が強度に及ぼす影響
4. 2 細胞培養液中での長期腐食挙動
4. 3 マウス皮下での腐食挙動
4. 4 ラット大腿骨内での初期の腐食・骨形成挙動
5 水酸アパタイト・リン酸八カルシウム被覆上での細胞挙動
6 おわりに
【第Ⅲ編 高分子】
第1 章 分子間相互作用測定に基づいたリン脂質ポリマーブラシ表面のタンパク質非吸着特性解析
1 はじめに
2 タンパク質吸着における分子間相互作用の重要性
3 モデル表面としての高密度ポリマーブラシ構造
4 ポリマーブラシ表面に働く相互作用力
5 タンパク質との直接的/間接的な相互作用評価
6 おわりに
第2 章 PMEA および類似化合物による生体適合性付与
1 はじめに
2 水和による材料物性の変化
3 材料に水和した水の状態
4 生体成分と材料の相互作用
5 水和状態の分析方法
6 DSC による中間水量の分析方法
7 その他の手法による中間水の分析方法
8 中間水が観測される材料:生体分子および生体適合性材料
9 バイオ界面に存在する中間水の役割
10 材料の中間水量の変化によるがん細胞接着と分離
第3章 星型ポリマーによる血液適合性および抗菌性表面の構築
1 はじめに
2 星型ポリマーの設計および製造
2. 1 基材表面に対するポリマーのグラフト方法
2. 2 ポリマーグラフト表面代替としての星型ポリマーの設計
2. 3 星型ポリマーの製造
3 星型ポリマーによる血液適合性および抗菌性の付与
3. 1 星型ポリマーコート表面の作製
3. 2 星型ポリマーコート表面の濡れ性
3. 3 星型ポリマーコート表面のタンパク質吸着抑制
3. 4 星型ポリマーコート表面の血液適合性および抗菌性
4 おわりに
第4章 アミノ酸からつくる機能性ポリマーによる生体適合性表面の設計
1 はじめに
2 温度応答性ペプチドの極性スイッチングを利用した細胞接着性表面の設計
3 ペプチド-ビニルポリマー・ハイブリッドからなる光応答型細胞足場材料の開発
4 アミノ酸由来ビニルポリマーによる温度応答性表面の設計と細胞足場材料への展開
5 おわりに
第5 章 糖鎖薄膜の界面ナノ構造と細胞応答
1 はじめに
2 糖鎖の非還元末端の界面集積による細胞応答の変化
2. 1 糖鎖の還元末端固定化膜の調製
2. 2 糖鎖ハイブリッド膜上での細胞応答の変化
2. 3 糖鎖ハイブリッド膜上の糖鎖認識によるシグナル伝達
3 糖鎖界面のマイクロパターニングによる細胞応答の変化
4 ナノファイバー形状の糖鎖界面による細胞接着挙動の変化
5 おわりに
第6 章 高分子材料への細胞選択的ペプチド修飾による生体適合性付与
1 はじめに
2 高分子材料に生体適合性を付与するアプローチ
2. 1 表面修飾素材としての細胞外マトリックス模倣ペプチド
2. 2 高分子材料の物理化学的性質による細胞の挙動制御
2. 3 高分子材料の性質と細胞接着ペプチドの関係性
3 高分子材料表面への細胞選択的ペプチド修飾の最適化アプローチ
3. 1 高分子材料の性質と細胞接着ペプチドの組み合わせの最適化コンセプト
3. 2 細胞選択的ペプチドと合成高分子材料との組み合わせデータセットの構築
3. 3 ペプチド・高分子材料の組み合わせ効果がもたらす細胞接着選択性の評価
3. 4 細胞接着性に対するペプチドと高分子材料の組み合わせ効果のマップ化
4 おわりに
第7章 多孔質スキャホールドへの成長因子固定化と活性評価
1 はじめに
2 組織再生に影響を与える種々の因子
3 成長因子の固定化
4 表面修飾効率および表面組織誘導
5 内在性成長因子を用いた骨再生への挑戦
6 イヌ歯周病モデルを用いた骨再生能評価
6. 1 イヌ顎骨骨欠損モデルでの顎骨再生
6. 2 イヌ歯周疾患モデルでの歯周組織再生
7 まとめ
第8 章 多孔質材料の構造制御や生理活性物質の複合化による細胞機能制御
1 はじめに
2 多孔質足場材料の構造制御
2. 1 氷微粒子を「鋳型」に用いた空孔径の制御と軟骨再生への空孔径の影響
2. 2 パターン化多孔質足場材料と細胞の配向・集合の制御
3 生理活性物質との複合化
3. 1 骨形成タンパク質を複合化した多孔質足場材料と骨再生の促進
4 多孔質材料の構造制御と生理活性物質の複合化の組み合わせ
4. 1 血管パターン形成層と骨組織再生層をもつ多孔質足場材料
5 おわりに
第9 章 温度応答性ポリマーを利用した生体適合材料の開発
1 はじめに
2 LCST 型およびUCST 型温度応答性ポリマー
3 ゾル-ゲル転移ポリマー
4 ゾル-ゲル転移ポリマーのインジェクタブルポリマー (IP) としての応用
5 おわりに
第10 章 絹フィブロインの応用
1 はじめに
2 絹タンパク質
3 シルクタンパク質による表面改質
4 フィブロインフィルム
5 フィブロイン基材上での細胞挙動
6 おわりに
【第Ⅳ編 応用】
第1 章 医療機器の承認審査に求められる生体適合性評価
1 はじめに
2 医療機器のクラス分類と審査
3 医療機器の申請の際に必要な記載事項
4 生物学的安全性評価の基本的な考え方
4. 1 生物学的安全性評価の原則
4. 2 評価項目の選択
4. 3 試験法
4. 4 試験試料
4. 5 動物福祉
5 ISO 10993-1 改訂のポイント
6 ISO 10993 におけるその他の動向
7 新たな性能として生体適合性を付与した場合の承認申請における留意点
8 承認申請における過去の資料の活用
9 相談制度の有効活用
第2 章 材料/細胞界面特性に着目した生体適合性評価
1 はじめに
2 材料/細胞界面における相互作用
3 自己組織化単分子膜(SAM)を利用した材料/細胞相互作用解析
3. 1 接触角に着目した細胞挙動変化
3. 2 化学構造に着目した細胞挙動変化
3. 3 その他の特性による影響
4 おわりに
第3 章 蛋白質吸着挙動に着目したチタン材料の骨親和性評価
1 はじめに
2 チタン材料のHAp 形成能評価
3 チタン材料への吸着蛋白質の解析
3. 1 成長因子・サイトカイン類
3. 2 ホルモン・ステロイド類
3. 3 骨系蛋白質
3. 4 グルタミン酸関連蛋白質
3. 5 Ca チャネル蛋白質
3. 6 ビタミン関連蛋白質
3. 7 金属関連蛋白質
3. 8 ホメオティック遺伝子(HOX)関連蛋白質
3. 9 ヘッジホッグ関連蛋白質
3. 10 細胞外マトリクス
3. 11 熱ショックタンパク質・アラキドン酸関連蛋白質
3. 12 ephrin 関連蛋白質
3. 13 γ- アミノ酪酸(GABA)関連蛋白質
3. 14 転写因子関連蛋白質
4 考察
5 おわりに
第4 章 材料表面近傍の水和状態のin silico解析と生体適合性予測への応用
1 はじめに
2 生体適合性とバイオ界面における水和特性
3 方法
4 結果
5 考察
6 まとめ
第5 章 人工股関節の機能性向上に寄与する表面処理技術(Aquala,AG-PROTEX)
1 はじめに
2 PMPC コーティング(Aquala)の開発
2. 1 PMPC コーティング開発の背景
2. 2 PMPC コーティングの特徴
2. 2. 1 PMPC コーティングの摩耗特性
2. 2. 2 PMPC 粒子の生体適合性評価
2. 2. 3 PMPC コーティングの臨床評価
2. 2. 4 PMPC コーティングの細菌付着阻害特性
3 銀HA コーティング技術(AG-PROTEX)の開発
3. 1 抗菌性人工股関節の開発の背景
3. 2 銀HA コーティングの特徴
3. 2. 1 銀HA コーティングの抗菌性
3. 2. 2 銀HA コーティングの骨伝導性・骨固定性
3. 2. 3 銀HA コーティングの生物学的安全性
3. 2. 4 抗菌性人工股関節の臨床評価
4 おわりに
第6 章 高分子材料の表面機能化技術と心臓血管関連医療機器への応用
1 はじめに
2 開発経緯から基礎技術の確立まで
2. 1 ヘパリンコーティング
2. 2 人工材料と血液の初期反応にフォーカスした設計コンセプト
2. 3 ポリ2 メトキシエチルアクリレート(PMEA)
2. 4 PMEA コーティング人工肺の臨床での有効性
3 抗血栓性コーティングの設計において有用な評価技術
3. 1 血小板粘着試験
3. 2 抗血栓性持続性評価
4 まとめ
第7 章 透析用中空糸膜の表面処理による生体適合性改善
1 緒論
2 中空糸内表面へのビタミンE 固定化
3 ビタミンE 固定化による効果
3. 1 in vitro data
3. 1. 1 抗酸化効果
3. 1. 2 抗凝固効果・抗血栓効果
3. 1. 3 抗炎症効果
3. 1. 4 動物実験による透析システムの確立および酸化ストレスへの影響
3. 1. 5 血管の収縮拡張能
3. 2 Clinical Research
3. 2. 1 抗酸化効果(酸化ストレス低下改善)
3. 2. 2 抗凝固効果・抗血栓効果
3. 2. 3 抗炎症効果(好酸球増多症改善を含む)
3. 2. 4 透析低血圧改善効果
3. 2. 5 貧血改善効果
4 結論と今後の展望
第8 章 動脈硬化症病変に対する新しい長期的留置型ステントの開発:プラズマ技術による生体適合性の付与
1 はじめに
2 炭素系ナノコーティングの医用応用
3 F-DLC コーティングステントの開発
4 プラズマ技術,バイオミメティクス技術による表面改質
5 マイクロパターニングによる薬剤溶出システムの開発
6 おわりに
第9 章 RNA アプタマーを利用した新規機能性医用材料の創成
1 はじめに
2 RNA アプタマーとは
2. 1 SELEX 法によるRNA アプタマーの取得
2. 2 RNA アプタマーの構造と特徴
2. 3 立体構造情報を用いたRNA アプタマーの改良
2. 4 医薬品としてのRNA アプタマー
3 RNA アプタマーを用いた医用材料開発
3. 1 RNA アプタマーを用いた医用材料の利点
3. 2 RNA アプタマーの機能的選別
3. 3 RNA アプタマーの材料表面への固定化
3. 4 RNA アプタマー固定化材料のin vitro 性能評価
3. 5 RNA アプタマー固定化材料のin vivo 性能評価
4 おわりに
