提高骨缺损填充材料和牙科修复材料的功能 - 开发兼具抗菌性和促进骨形成功能的V体育材料用玻璃 -

日本产业技术综合研究所/中部大学/大阪大学/V体育

这项研究的要点

〇 MgO-ZnO-P，用于仅由正四面体组成的V体育材料₂O₅-SiO₂开发玻璃
〇 锌离子的适度洗脱，兼具优异的抗菌活性和促进骨形成的功能
〇 有望成为改善骨形成相关基因表达的V体育适应性材料

研究概述

日本产业技术综合研究所（以下简称“AIST”），多材料研究部，Seung-ho Lee。主要研究人员为中部大学工学部应用化学系樱井诚教授、大阪大学研究生院工学研究科中野隆吉教授、V体育春日敏博教授。我们与名誉教授合作，开发了一种兼具抗菌性能和促进骨形成功能的生物材料玻璃（以下简称“生物玻璃”）。MgO-ZnO-P₂O₅-SiO₂型玻璃。

V体育玻璃在放入体内时通过直接与骨骼和活体组织结合而表现出V体育活性，并作为填充骨缺损、治疗牙周病和护理过敏的材料投入实际应用。V体育玻璃中以磷酸盐为主要成分的磷酸盐玻璃，可以掺入多种元素，且元素可以以无机离子的形式洗脱。细胞功能可以被激活。另一方面，过多的无机离子供应可能会抑制细胞功能。在无机离子中，锌被认为是参与骨形成的重要V体育微量元素，也是具有抗菌特性的元素，但它可能对细胞有毒，因此在开发利用锌离子的V体育材料时，必须严格控制其洗脱行为。

这一次，玻璃网络结构，控制其溶出量，兼具优异的抗菌性能和促进骨形成功能MgO-ZnO-P₂O₅-SiO2₂型玻璃。传统的磷酸盐玻璃是由磷酸盐制成的订单₄四面体通过共价氧键相互结合长链结构新开发的玻璃具有独特的玻璃网络结构，不含有因共价氧键而产生的长链结构。这项研究结果表明，从玻璃中洗脱锌和其他成分可以提高与骨形成相关的基因的表达水平，创造出新的V体育适应性材料的发展做出贡献

该研究结果的详细信息将于 2025 年 9 月 6 日（欧洲中部时间）公布。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

请参阅[词汇表]了解带下划线的部分

发展的社会背景

V体育材料是与V体育体直接接触的材料，用于治疗、修复和功能支持的目的。在 20 世纪 60 年代和 1970 年代，开发了植入V体育体时不会造成任何有害影响的V体育相容性材料，自 20 世纪 80 年代以来，研究重点集中在V体育活性材料和V体育可吸收材料。近年来，通过细胞活化而具有组织再生功能的材料的开发变得活跃。其中，V体育玻璃由于与V体育体直接接触时会洗脱出活化细胞、促进骨形成的无机离子，因此被用作骨缺损的填充材料和牙齿修复材料。

主要成分为磷酸盐的磷酸盐玻璃与常用于窗玻璃的硅酸盐玻璃相比，可以结合多种元素。玻璃中含有的无机成分容易以无机离子的形式溶出，具有优异的细胞活化功能。然而，过量会抑制细胞功能。因此，为了制造以磷酸盐玻璃为基材和激活细胞功能的无机成分的V体育玻璃，需要严格控制从玻璃中溶出的无机离子的量。

研究历史

AIST正在推进以磷酸盐玻璃为基材的V体育玻璃的开发，旨在利用无机离子制造具有细胞活化功能的V体育玻璃。特别是，我们正在开发V体育玻璃，通过适当设计和控制玻璃的网络结构，同时考虑要引入的元素及其在玻璃中的作用，优化材料中离子洗脱的行为。

这项研究得到了日本学术振兴会 (JSPS) KAKENHI 赠款 (22K18201、23KK0272、24K22400)、双边交流项目 (120258813)、玻璃联合会和新玻璃论坛玻璃研究促进计划的支持。

研究内容

形成玻璃骨架结构（玻璃网络结构）的基本单元是磷（P) 和硅 (硅) 主要是氧气 (O)4两个顶点，磷酸盐订单₄四面体和硅酸盐二氧化硅₄它们是四面体，被称为网络形成组件。另一方面，钠 (娜) 和钙 (加拿大)被称为网络改性组分，并且是非桥接氧结合

锌 (锌) 和镁 (镁)既可以充当网络形成组分，也可以充当网络修改组分，但是当在不受控制的情况下引入到玻璃中时，氧化锌₆是啊氧化镁₆的6这将是一个协调结构。该结构的键合力比磷或硅弱，因此它不充当形成玻璃骨架结构的网络形成组分，而是充当网络改性组分。

这次开发MgO-ZnO-P₂O₅-SiO2₂玻璃 (SPG-CZ/-MCZ/-MZ) 是锌和镁氧化锌₄四面体，氧化镁₄以四面体的形式，订单₄四面体二氧化硅₄它用于连接四面体。一般来说，如果磷酸盐和硅酸盐等网络形成成分不相互连接，它们将非常容易结晶，并且不可能制造玻璃。制造磷酸盐和硅酸盐在玻璃网络结构中共存的玻璃是困难的，并且只有当任一组分极大时才能获得玻璃。另外，磷酸盐玻璃比硅酸盐玻璃具有更低(更少)的网络形成成分组成。P₂O₅内容)也可以被玻璃化。我们开发的玻璃是订单₄四面体二氧化硅₄四面体独立存在，彼此之间以及它们之间没有连接氧化锌₄四面体氧化镁₄由于具有连通四面体的结构，因此在玻璃网络结构中具有磷酸盐和硅酸盐两者大量共存的结构。

在显影玻璃中采购订单₄四面体二氧化硅₄四面体单独存在，彼此不相连正四面体存在³¹P、²⁹硅固态核磁共振分析（固态核磁共振)已确认（图1）。例如，订单₄四面体2如果存在连通结构，³¹P MAS-NMR的巅峰-10 ppm附近，订单₄如果几个四面体连接起来形成链状结构-20 ppm附近出现峰值同样，²⁹Si MAS-NMR但是，二氧化硅₄四面体2如果已连接-80 ppm附近是否有链状结构-85 ppm附近

这次我们将形成玻璃骨架结构，以便让锌和镁发挥网络形成成分的作用P₂O₅,订单₄控制成分，使四面体难以相互连接。结果，锌和镁同时引入SPG-MZ和SPG-MCZ玻璃是订单₄、二氧化硅₄、氧化镁₄、氧化锌₄的正四面体形成玻璃网络结构。

虽然引入玻璃中的锌离子具有优异的抗菌性能和化学耐久性的优点，但如果过度洗脱到V体育体中，它们也可能对细胞有毒。因此，在开发利用锌的V体育材料时，需要将锌离子的洗脱量控制在不对细胞造成毒性的范围内。新开发的玻璃中引入的锌是氧化锌₄2（a）SPG-MC) 是7大约40%的离子洗脱，而新开发的玻璃含有适量的锌（图2（b-d）SPG-CZ/-MCZ/-MZ)是玻璃中各种离子在浸泡7天内的洗脱率3与普通玻璃相比小于%10分钟1我们能够将其保持在下面。开发玻璃 (SPG-CZ/-MCZ/-MZ)中锌离子的洗脱量为008 mM下面是细胞增殖50抑制%的浓度01 mM此外，通过评估人成骨细胞的增殖，我们证实洗脱的锌离子不会引起细胞毒性。

为了确认锌离子的抗菌特性，我们检查了在含锌玻璃存在下培养大肠杆菌和金黄色葡萄球菌 24 小时后的细菌数量（图 3）。如果细菌数量比无玻璃培养的细菌数量减少两个数量级或更多（图中对照），则可以判断该材料具有抗菌性能。不含锌的玻璃（SPG-MC）显示出与对照相同数量的细菌，表明它不具有抗菌特性。另一方面，新开发的含锌玻璃（SPG-CZ/-MCZ/-MZ）不仅在图表上显示细菌数量减少了两位数，而且显示出接近设备可计数下限的值（空白：仅使用不含细菌的培养基进行测量）。为了获得更详细的细菌计数，我们对琼脂培养基上形成的菌落数进行了计数（图3，内表），发现它具有优异的抗菌性能，将细菌数量减少了大约6个数量级。

我们还研究了它促进骨形成的能力。成骨细胞在骨形成的各个阶段，典型表达的基因是早期的I型胶原（Col I），中期的碱性磷酸酶（ALP）和骨桥蛋白（OPN），晚期的骨钙素（OCN）。通过测量这些基因的表达水平，可以评估促进骨形成的效果。一般来说，如果该值比比较目标高15倍或更多，则可以确定基因表达得到了促进。与对照（使用加速骨形成的成骨分化诱导培养基）相比，在含有从开发的玻璃（SPG-CZ/-MCZ/-MZ）中洗脱的离子的培养基中培养的人成骨细胞，所有成骨相关基因的中期 ALP 和晚期 OCN 的基因表达水平高出 50 倍以上（图 4）。此外，含锌玻璃的基因表达水平显着高于不含锌的玻璃。特别是，在骨形成后期表达的 OCN 在含锌玻璃中的基因表达水平比在不含锌玻璃中高约 18 倍。这些结果表明，所开发的玻璃具有抗菌特性和促进骨形成的作用，并证明所设计的玻璃网络结构允许引入的锌以适当的浓度洗脱。

未来计划

未来我们将利用所开发的玻璃的抗菌特性和促进骨形成的作用来生产牙科材料组织工程走向细胞支架材料

论文信息

发表于：先进医疗材料
标题：双功能正硅磷酸盐MgO-CaO-ZnO-P的制备₂O₅-SiO2₂眼镜：抗菌活性和成骨细胞基因表达行为的体外评估
作者姓名：Sungho Lee*、Hayato Asano、Makoto Sakurai、Takayoshi Nakano 和 Toshihiro Kasuga
DOI：

术语表

细胞功能
指细胞在材料表面表现出的粘附、增殖、分化等生理活动。这些功能在V体育材料的组织修复中发挥着重要作用。
　
玻璃网络结构
一般为网络形成组分（SiO2）₂是啊₂O₅等)组成的长链结构形成的玻璃骨架结构。

长链结构
磷酸PO₄四面体和硅酸盐SiO₄四面体连接在一起并在顶点共享氧以形成链的结构。

V体育适应性材料
主要通过材料控制V体育现象的V体育材料。也称为V体育适应性材料。

桥接氧/非桥接氧
形成玻璃网络结构的硅酸盐和磷酸盐四面体顶点处的氧中，与相邻四面体共享形成玻璃网络结构的氧称为桥联氧，不共享的氧称为非桥联氧。

正四面体
一种网络形成成分，不具有桥连氧并具有一个四面体作为其构成单元。

固态核磁共振分析（固态NMR）
分析形成玻璃骨架结构的磷酸盐和硅酸盐的键合状态的方法之一。 NMR 代表核磁共振。测量固体时，样品倾斜 547 度并高速旋转，以消除样品的方向依赖性。这种方法称为魔角旋转 (MAS) 核磁共振分析 (MAS-NMR)。

CFU
菌落形成单位的缩写。用于通过计算培养细菌时形成的菌落数量来估计活细菌数量的单位。在本研究中，细菌计数和 CFU 含义相同。

组织工程
结合细胞、V体育材料和工程技术以再生和修复活体组织的学术领域。目的是人工制造组织并恢复器官功能。

细胞支架材料
一种为细胞粘附、增殖和分化提供结构的V体育材料。

联系信息

国立产业技术综合研究所

品牌与公共关系部新闻发布室电子邮件：hodo-ml[在]aistgojp

中部大学

入学考试和公共关系中心 chubu-info[在]fscchubuacjp

大阪大学工学研究科
总务部评价公关科 kou-soumu-hyoukakouhou[在]officeosaka-uacjp

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