生体模倣材料

バイオミメティック材料は、自然からインスピレーションを得て開発された材料です。これは複合材料の設計に役立つ可能性があります。自然の構造は人間の創造にインスピレーションを与え、革新をもたらしてきました。^[1]これらの自然の構造の注目すべき例としては、蜂の巣のハニカム構造、クモの糸の強度、鳥の飛行機構、サメの皮膚の撥水性などがあります。^[2]新語「バイオミメティック」の語源はギリシャ語に由来しており、biosは「生命」、mimetikos は「模倣」を意味します。^[要出典]

組織工学における生体模倣材料は、細胞外マトリックス（ECM）タンパク質からの足場結合ペプチドとの相互作用を介して特定の細胞応答を誘発するように設計された材料であり、本質的には、化学的または物理的修飾を介して細胞結合ペプチドを生体材料に組み込むことです。 ^{[3]ペプチド内に位置する}アミノ酸は、他の生物学的構造によって構成要素として使用されます。これらのペプチドは、生物学的に活性なモチーフを含むように変更できるため、 「自己組織化ペプチド」と呼ばれることがよくあります。これにより、組織から得られた情報を複製し、同じ情報を独立して再生することができます。したがって、これらのペプチドは、組織工学を含む複数の生化学的活動を行うことができる構成要素として機能します。^[4]現在、短鎖ペプチドと長鎖ペプチドの両方で行われている組織工学研究はまだ初期段階です。

このようなペプチドには、ECMタンパク質の天然の長鎖と、完全なECMタンパク質から派生した短いペプチド配列の両方が含まれます。そのアイデアは、生体模倣材料が神経組織でECMが果たす役割の一部を模倣するというものです。細胞の成長と移動を促進することに加えて、組み込まれたペプチドは、特定のプロテアーゼ酵素を媒介したり、局所的な天然組織には存在しない細胞反応を開始したりすることもできます。^[3]

当初は、フィブロネクチン(FN)、ビトロネクチン(VN)、ラミニン(LN) などの ECM タンパク質の長鎖が使用されていましたが、最近では短いペプチドを使用する利点が発見されました。短いペプチドは、吸着時にランダムに折り畳まれて活性タンパク質ドメインが立体的に利用できなくなる長鎖とは異なり、吸着時に受容体結合ドメインを隠さず、安定したままであるため、より有利です。短いペプチドのもう 1 つの利点は、サイズが小さいため、より経済的に複製できることです。長いスペーサー アームを備えた二官能性架橋剤を使用して、ペプチドを基質表面に固定します。架橋剤を結合するための官能基が利用できない場合は、光化学的固定化を使用できます。^[3]

表面の改質に加えて、生体材料はバルクで改質することができ、細胞シグナル伝達ペプチドと認識部位は表面だけでなく材料全体に存在することを意味します。細胞接着の強度、細胞移動速度、細胞骨格組織形成の程度は、材料に結合したリガンドへの受容体の結合によって決まります。したがって、生体模倣材料を設計する際には、受容体-リガンド親和性、リガンドの密度、およびリガンドの空間分布を慎重に考慮する必要があります。^[3]

発達中のエナメル質細胞外マトリックスのタンパク質（アメロゲニンなど）は、初期のミネラル沈着（核形成）とそれに続く結晶成長を制御し、最終的に成熟したミネラル化組織の物理的機械的特性を決定します。核形成因子は、小さな核を安定させて結晶成長を可能にし、周囲の液体（唾液など）からのミネラルイオンを結晶格子構造の形に集め、ミネラル組織を形成します。^{[5]エナメル質ECMタンパク質の変異は、エナメル}質形成不全症などのエナメル質の欠陥を引き起こします。I型コラーゲンは、象牙質と骨の形成に同様の役割を果たすと考えられています。^{[6] [7]}

歯のエナメル質鉱物（象牙質や骨も同様）は、構造に異イオンが組み込まれたハイドロキシアパタイトでできています。炭酸塩、フッ化物、マグネシウムが最も一般的な異イオン置換基です。^[8]

正常なエナメル質の組織形成に基づいた生体模倣石灰化戦略では、カルシウムイオンやリン酸イオンを引き寄せて配置し、ヒドロキシアパタイトの新規沈殿を誘発するための3次元足場が形成される。^[9]

2つの一般的な戦略が適用されています。1つは、アメロゲニン、コラーゲン、デンチンホスホフォリンなどの天然の石灰化タンパク質をサポートすることが知られているフラグメントを基礎として使用することです。^[10]あるいは、天然分子ではなく合理的な設計に基づいて、石灰化をサポートするために新規の高分子構造が設計されています。1つの例はオリゴペプチドP11-4です。^[11]

歯科整形外科およびインプラントにおいて、下顎骨の密度を高めるためのより伝統的な戦略は、リン酸カルシウム材料をその場で適用することである。一般的に使用される材料には、ヒドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム、リン酸カルシウムセメントなどがある。^[12]新しい生体活性ガラスもこの戦略に従っており、シリコンを添加することでカルシウムの局所吸収に重要なボーナスがもたらされる。^[13]

多くの研究では、生体模倣材料の設計にラミニン-1を利用しています。ラミニンは細胞外マトリックスの成分であり、軸索成長の誘導に加えて、ニューロンの付着と分化を促進することができます。その生物活性の主な機能部位は、ラミニンのα-1鎖に位置するコアタンパク質ドメインイソロイシン-リジン-バリン-アラニン-バリン（IKVAV）です。^[14]

Wu、Zhengらによる最近の研究では、自己組織化IKVAVペプチドナノファイバーを合成し、ニューロン様pc12細胞の接着に対するその効果を試験した。早期の細胞接着は細胞変性を防ぐために非常に重要であり、細胞が培養中に浮遊する時間が長いほど、変性する可能性が高くなります。その目的は、神経細胞の接着と分化を促進することに加えて、グリア細胞の分化と接着を阻害することができる、IKVAVを使用した優れた細胞接着性と生物活性を備えた生体材料を開発することであった。^[14] IKVAVペプチドドメインはナノファイバーの表面にあるため、露出しており、細胞接触相互作用を促進するためにアクセス可能です。IKVAVナノファイバーは、ポリ-L-リジンによって引き起こされる静電引力よりも強い細胞接着を促進し、飽和点に達するまでIKVAVの密度が増加するにつれて細胞接着が増加しました。 IKVAVは時間依存的な効果を示さない。なぜなら、1時間後と3時間後の付着は同じであることが示されたからである。^[14]

ラミニンは神経突起の伸展を刺激することが知られており、神経系の発達に役割を果たしています。神経系の発達において、成長円錐を標的組織に導くには勾配が重要であることが知られています。可溶性勾配については多くの研究が行われてきましたが、ラミニンなどの細胞外マトリックスの基質結合物質の勾配についてはほとんど重点が置かれてきませんでした。^[15] Dodla と Bellamkonda は、結合したラミニン-1 (LN-1) の勾配を持つ異方性 3D アガロースゲルを作製しました。LN-1 の濃度勾配は、等方性 LN-1 濃度で観察された最高の神経突起成長速度よりも速い神経突起伸展を促進することが示されました。神経突起は勾配の上下両方で成長しましたが、成長は勾配が緩やかなほど速く、勾配の上の方が勾配の下よりも速かったです。^[15]

電気活性ポリマー（EAP）は人工筋肉としても知られています。EAPはポリマー材料であり、電界をかけると大きな変形を起こすことができます。これはバイオテクノロジーやロボット工学、センサー、アクチュエーターへの応用に大きな可能性をもたらします。^[16]

構造色の生成は、多種多様な生物に関係しています。細菌（Flavobacterium株 IR1）^[17]から多細胞生物（Hibiscus trionum ^[18] 、Doryteuthis pealeii（イカ）^[19]、Chrysochroa fulgidissima（カブトムシ）^[20]）まで、光の操作は希少で外来の生命体に限られたものではありません。異なる生物は構造色を生成する異なるメカニズムを進化させてきました。一部の昆虫^[20]や植物の多層クチクラ、^[21]植物の格子状表面、^[18]細菌の幾何学的に組織化された細胞...これらすべてのテーマが、構造色材料の開発に向けたインスピレーションの源となっています。ホタルの腹部を研究した結果、クチクラ、フォトジェニック層、反射層の3層システムが存在することが明らかになりました。反射層の顕微鏡検査により、顆粒構造が明らかになりました。ホタルの反射層から直接ヒントを得て、約1.05μmの中空シリカビーズで構成された人工顆粒膜は、高い反射率と相関関係があり、化学発光システムの発光を改善するために使用できる可能性がある。^[22]

人工酵素は、必ずしもタンパク質である必要はなく、天然酵素の（部分的な）機能を模倣できる合成材料です。その中でも、いくつかのナノ材料は天然酵素を模倣するために使用されてきました。これらのナノ材料はナノザイムと呼ばれています。ナノザイムは他の人工酵素と同様に、バイオセンシングや免疫アッセイから幹細胞の増殖や汚染物質の除去まで、幅広い用途に使用されています。^[23]

バイオミメティック複合材は、自然の設計戦略を模倣して作られています。動物や植物に見られるデザインや構造が研究され、これらの生物学的構造が複合構造の製造に応用されています。研究者は、3Dプリントなどの高度な製造技術を使用して複合材を製造しています。^[24]