ナノトポグラフィー

ナノトポグラフィーとは、ナノスケールで形成または生成される特定の表面特性を指します。この用語は、集積回路からマイクロ流体工学に至るまでの幅広い用途を説明するために使用できますが、実際には、生体材料研究で使用されるサブミクロンのテクスチャ表面に適用されます。

自然界には、いくつかの機能的なナノトポグラフィーが確認されています。 蓮の葉のような特定の表面は 、自己洗浄などの非生物的プロセスにナノスケールのテクスチャを適用することが理解されています。^[1] この発見のバイオミメティックな応用は、その後、消費者向け製品にまで広がりました。2012 年には、自然界のナノトポグラフィーが抗生物質の目的にも使用されていることが認識されました。セミの羽は表面がナノスケールの柱で覆われており、細菌の溶解を誘発します。ナノピラーが細胞接着を防ぐことは観察されていませんが、微生物の膜を破裂するまで引き伸ばすように機械的に作用しました。セミの羽の in vitro テストでは、さまざまな細菌株に対する有効性が実証されました。^[2]

ナノトポグラフィーの製造には、さまざまな技術が利用可能です。高スループット技術には、プラズマ機能化、研磨ブラスト、エッチングなどがあります。これらのプロセスは低コストですが、特徴のサイズと形状の制御と複製可能性に限界があります。^[3]電子ビームリソグラフィーや粒子堆積など、 より高い特徴精度を可能にする技術は存在しますが、比較すると遅く、より多くのリソースを必要とします。代わりに、分子自己組織化などのプロセスを利用すると、生産速度と特徴制御のレベルが向上します。

ナノトポグラフィーが細胞の挙動に与える影響は 1964 年以降にようやく認識されましたが、この技術の最初の実用化のいくつかは医療分野で実現されつつあります。^[4] 数少ない臨床応用の 1 つに、浸漬エッチングとサンドブラストで生成されたナノトポグラフィーによるチタンインプラント表面の機能化があります。この技術は、特定のインプラントコンポーネントの術後統合を改善することを目的としたさまざまな研究の焦点となっています。統合の決定要因はさまざまですが、ほとんどのチタンインプラントは整形外科向けであるため、骨結合がこの分野の主な目的です。

ナノトポグラフィーは細胞培養に容易に適用でき、異なる系統の細胞挙動に大きな影響を与えることが示されています。^[4] 9 nm オーダーまでのナノスケール領域の基質特性は、ある程度の効果を保持できます。トポグラフィーの手がかりのみにさらされると、さまざまな細胞が細胞増殖や遺伝子発現の変化などの反応を示します。^{[5]特定のパターンは、}幹細胞を特定の経路で分化するように 誘導できます。 ^[6] 注目すべき結果には、培地成分がない場合の骨形成誘導^[7]や、平滑筋に見られるほぼ完全な細胞配列などがあります。^[8] 動物由来製品に関連する規制とコストが多くの細胞関連技術の大きな障害となっているため、トポグラフィーの手がかりが、そうでなければ異種ベースの培地成分を必要とする役割を果たす可能性は、臨床応用への高い翻訳可能性を提供します。