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損傷した軟骨の効果的な治療と修復は、今日の医学にとって依然として大きな課題となっています。 米国デューク大学の研究者たちはこのほど、天然の軟骨組織の強度と耐久性に匹敵する、ハイドロゲルをベースにした新しい複合材料を作りました。 この新しい開発は、現在の軟骨修復技術の限界を克服することを約束するものです。

関節軟骨は、人体で重要な役割を果たす高度に特殊化した組織です。 健康な軟骨は摩擦の少ない動きを提供し、骨格の関節で効率的な荷重負担と体重配分を保証します。

軟骨-自然の驚異

天然の軟骨は、軟骨細胞外マトリックスに埋め込まれたまばらな軟骨細胞の分布で構成されています。 主成分は水（60～85wt％）、II型コラーゲン（身体の主要な結合組織の1つ）15～22wt％、グリコサミノグリカン（長鎖多糖類分子）4～7wt％です。

この3つの成分が絡み合うことによって、軟骨組織の独特の性質が生み出されています。 平均厚さ2.2mmの軟骨は、その下にある多孔質の骨組織に部分的に入り込み、骨の表面をコーティングして、関節の摩擦の少ない動きを保証しています。

骨・関節の外傷は現代社会に大きな影響を与える

軟骨組織には血管がないため、栄養供給が悪く、老廃物の排出が遅い（軟骨マトリックスを通じた拡散に依存）、軟骨細胞の代謝活性が低下しているなどの特徴があります。 これは自己再生と内在的修復を制限します。

何十年も使い続けた後の通常の軟骨の摩耗に加えて、スポーツ活動や交通事故に関する骨や関節の損傷が、世界中の軟骨修復治療と製品の需要に大きく貢献しており、米国では毎年60万件を超える膝関節置換手術が行われ、世界の軟骨修復市場は4米ドルに達していると言われています。5793>

現在、損傷した軟骨組織の最も一般的な治療法は、短期的な症状の緩和（損傷した軟骨の緩い部分を取り除く、またはドナー軟骨を移植する）だけか、損傷した関節を人工関節に交換する必要があります。 軟骨の修復と再生のための現在の戦略の限界は、自然の軟骨に似た生体力学的特性を持つ代替材料の開発を目指す、学術的および産業的研究グループによる生物医学的R&Dの激しい努力に火をつけました。

損傷した軟骨の修復を助けるスマートな材料

コバルトクロム合金、セラミック、超高分子量ポリエチレンなど、いくつかの生体適合性と非分解性の人工材料は、現在軟骨または関節全体の代替物として使用されています。 1970年代以降、ハイドロゲル（架橋した親水性ポリマーの高水和ネットワーク）は、生体適合性、高含水率、低浸透性により優れた潤滑能力を持ち、タンパク質の吸着が少ないことから、軟骨代替材料として科学者の注目を集めてきた。

これらの材料の主な欠点は、破壊強度の不足と、関節で予想される荷重を支えるために必要な弾性率の不足です。

ベンジャミン ワイリー教授とケン ガル教授率いるデューク大学の研究グループは、天然の軟骨組織の物性と挙動を模倣する新しいハイドロゲルをベースにした複合材料を作製しました。 How Could limbs be Repaired using Recent 3D Printing Technology?

Soft and Strong as Natural Cartilage

天然の軟骨が、この新しい複合材料の構造を触発します。 このハイドロゲルは、架橋ポリビニルアルコール (PVA) とポリ (2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid sodium salt) (PAMPS) からなるダブル ネットワーク ヒドロゲルに組み込まれたバクテリア セルロース (BC) ナノファイバーのネットワークから構成されています。 BCネットワークは引張強度（軟骨のコラーゲンに類似）に寄与し、PVAおよびPAMPSネットワークは必要な水分（59 wt%）の保持を保証し、粘弾性エネルギー散逸、弾性復元力（軟骨のグリコサミノグリカンネットワークに類似）およびBCネットワーク全体に均一な応力分布を提供します。

優れた生体力学的特性を持つ複合ハイドロゲル

Wiley教授と共同研究者は、Advanced Functional Materials誌にこの研究を紹介し、新しい生体模倣ハイドロゲルは、引張と圧縮の両方で天然の軟骨の強度と弾性率を満たす初の人工材料であることを主張しています。 1.43 MPa の圧縮応力下で、新しい材料は 5% 未満の歪みを示しました。 このことは、体重90キログラムの歩行者の膝関節の圧縮応力が約2.5MPaであることを考えると、この材料は、従来の軟骨代替材料に代わる耐久性のある材料であることがわかります。現在軟骨代替材料として使用されているPVAのみのハイドロゲルに比べ4倍の耐摩耗性を持ち、10万回負荷後の疲労強度は天然軟骨と同等であることを確認しました。

材料特性評価装置についての詳細

ハイドロゲル複合体の3つの構成要素は、生体適合性があることが以前に実証されており、初期の適合性テストでは、この材料が実験室で育てた細胞に対して無毒であることが示唆されています。 研究チームは、3年以内に、この新しい軟骨代替材料が、従来の軟骨修復治療や人工膝関節手術に代わるより優れた治療法として、商業的な治療に使用されることを想定している。 Yang et al., (2020) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage（軟骨の力学的特性と耐久性を有する合成ハイドロゲル複合体）。 Advanced Functional Materials, 2003451. で入手可能。 https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

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