タンパク質による生体材料の表面改質

生体材料は、生物系と接触して使用される材料です。現在使用されている金属、ポリマー、セラミックの生体材料と表面改質の生体適合性と適用性により、目的のデバイスのバルク特性を維持しながら、特性を変更して生物環境における性能を向上させることができます。

表面改質は、分子、細胞、組織レベルでの生体材料と生理学的環境との間の物理化学的相互作用の基礎に関係します（細菌の付着を減らし、細胞の付着を促進します）。現在、生体材料の特性評価と表面改質にはさまざまな方法があり、いくつかの生物医学的ソリューションに基本概念が効果的に応用されています。

表面改質の機能は、表面の物理的および化学的特性を変更して、元の材料の機能性を向上させることです。さまざまな種類の生体材料（セラミック、ポリマー、金属、複合材料）のタンパク質表面改質は、最終的に材料の生体適合性を高め、特定の用途向けの生体活性材料として相互作用するために行われます。埋め込み型医療機器（ペースメーカーやステントなど）の開発におけるさまざまな生物医学的用途では、特定の材料とタンパク質の表面特性/相互作用を生体適合性に関して評価する必要があります。これは、生体適合性が生物学的反応を決定する上で重要な役割を果たすためです。たとえば、材料の表面の疎水性または親水性を変更できます。生理学的環境と表面材料の間の生体適合性を工学的に設計することで、追加の生体機能性を備えた新しい医療製品、材料、および外科手術が可能になります。

表面改質は様々な方法で行うことができますが、それらは物理的（物理吸着、ラングミュア・ブロジェット膜）、化学的（強酸による酸化、オゾン処理、化学吸着、炎処理）、放射線（グロー放電、コロナ放電、光活性化（UV）、レーザー、イオンビーム、プラズマ浸漬イオン注入、電子ビームリソグラフィー、γ線照射）の3つの主要なグループに分類できます。^[1]

生物医学的観点から、生体適合性とは、特定の用途において適切な宿主反応を示す材料の能力である。非毒性で、異常な組織形成を伴う慢性炎症反応などの有害反応を誘発せず、妥当な寿命にわたって適切に機能するように設計されていると説明されている。^[2]表面改質材料が宿主に害を与えず、材料自体が宿主によって害されないことが生体材料の要件である。ほとんどの合成生体材料は、天然組織の物理的特性と同等かそれを超える物理的特性を持っているが、血栓形成、炎症、感染などの好ましくない生理学的反応を引き起こすことが多い。

バイオインテグレーションは、例えば整形外科用インプラントにおいて、良好な生体適合性条件下で人工インプラント材料と骨組織が完全に融合し、骨が機械的に強固な界面を確立するという究極の目標です。^[3]材料の表面を改質すると生体適合性が向上し、バルク特性を変えることなく行うことができます。最上層の分子層の特性は生体材料において非常に重要です^[4]。なぜなら、表面層は生物学的環境と物理化学的に接触しているからです。

さらに、生体材料の中には生体適合性が優れているものの、耐摩耗性、耐腐食性、濡れ性、潤滑性などの機械的または物理的特性が低いものもあります。このような場合、表面改質を利用してコーティング層を堆積するか、基材と混合して複合層を形成します。

タンパク質はアミノ酸の異なる配列で構成されているため、多数の分子結合によって構造形状が変化するため、タンパク質はさまざまな機能を持つことができます。アミノ酸は、異なる側鎖を持つことで決まる極性、非極性、正電荷または負電荷などのさまざまな特性を示します。したがって、異なるタンパク質を持つ分子、たとえばアルギニン-グリシン-アスパラギン酸（RGD）配列を含む分子の付着は、組織足場の表面を修正し、生理学的環境に置かれたときの細胞接着を改善することが期待されます。^[5]表面の追加の修正は、細胞の配列が誘導され、新しい組織の形成が改善されるように、表面に2Dまたは3Dパターンの官能基を付着させることによって行うことができます。^{[6] [7] [8] [9] [10]}

上記の表面改質技術のいくつかは、特に特定の機能または種類の材料に使用されます。プラズマ浸漬イオン注入の利点の1つは、ほとんどの材料を処理できることです。イオン注入は、生体材料の表面特性を強化するために使用できる効果的な表面処理技術です。^{[2] [11] [12] [13]}プラズマ改質の独自の利点は、強度などの材料の好ましいバルク属性を変更せずに、表面特性と生体適合性を選択的に強化できることです。全体として、複雑な形状の医療用インプラントを改質する効果的な方法です。プラズマ改質を使用して表面機能を変更することにより、最適な表面、化学的および物理的特性を得ることができます。

プラズマ浸漬注入法は、ポリマーなどの低融点材料に適した技術であり、ピンホールのない層と基板との接着性を向上させるために広く受け入れられています。 最終的な目標は、窒素、^[14]カルシウム、^{[15] [16]}、ナトリウム^[17]などのさまざまな生物学的に重要な元素を注入したさまざまな種類のバイオメディカル薄膜を製造して、生体適合性、耐腐食性、機能性などの生体材料の特性を強化することです。 酸化チタン^[18]、窒化チタン^[19]、ダイヤモンドライクカーボン^[20]などのさまざまな薄膜がこれまでに処理されており、処理された材料は、バイオメディカルインプラントで現在使用されているものと比較して、より優れた生体適合性を示すことが結果から示されています。 製造された薄膜の生体適合性を評価するには、さまざまなin vitro生物学的環境を実施する必要があります。

インプラントが細胞外マトリックスタンパク質でコーティングされている場合、免疫システムの反応は異なります。インプラントを囲むタンパク質は、インプラントを自然免疫システムから「隠す」役割を果たします。ただし、インプラントがアレルギー性タンパク質でコーティングされている場合、患者の適応免疫反応が開始される可能性があります。このような否定的な免疫反応を防ぐには、免疫抑制剤を処方するか、自己組織でタンパク質コーティングを生成することがあります。

インプラント（および手術による組織損傷）の挿入直後は、急性炎症が発生します。急性炎症の典型的な兆候は、発赤、腫れ、熱感、痛み、機能喪失です。組織損傷による出血は凝固を引き起こし、潜在的な肥満細胞を刺激します。肥満細胞はケモカインを放出し、血管内皮を活性化します。血管が拡張して漏れが発生し、急性炎症に関連する発赤と腫れが発生します。活性化された内皮により、インプラントに移行してそれを非生物学的なものとして認識するマクロファージを含む血漿と白血球の血管外漏出が可能になります。マクロファージは異物と戦うために酸化剤を放出します。抗酸化物質が異物を破壊できない場合は、慢性炎症が始まります。

分解されない物質を移植すると、最終的には慢性炎症と線維性被膜の形成につながります。病原体を破壊できなかったマクロファージは融合して異物巨大細胞を形成し、インプラントを隔離します。高レベルの酸化物質により線維芽細胞がコラーゲンを分泌し、インプラントの周囲に線維性組織の層が形成されます。

インプラントを細胞外マトリックスタンパク質でコーティングすると、マクロファージはインプラントを非生物学的なものとして認識できなくなります。インプラントはその後、宿主と継続的に相互作用し、周囲の組織にさまざまな結果をもたらすことができます。たとえば、インプラントは血管新生薬を分泌して治癒を促進する可能性があります。

物理的固定化とは、構造を変えずに、単に生体模倣材料で材料をコーティングすることです。細胞接着タンパク質 (コラーゲンやラミニンなど) を含むさまざまな生体模倣材料が、新しい組織の形成と細胞の成長を誘導するために in vitro で使用されています。タンパク質でコーティングされた表面では、細胞の接着と増殖がはるかによく起こります。ただし、タンパク質は一般に分離されているため、免疫反応を引き起こす可能性が高くなります。一般的に、化学的性質を考慮する必要があります。

アルカリ加水分解、共有結合固定化、湿式化学法は、表面を化学的に修飾する多くの方法のうちの 3 つにすぎません。表面は表面活性化によって準備され、タンパク質との反応をよくするためにポリマー上にいくつかの官能基が配置されます。アルカリ加水分解では、小さなプロトンがポリマー鎖の間を拡散し、エステル結合を切断する表面加水分解を引き起こします。その結果、タンパク質に付​​着できるカルボキシル官能基とヒドロキシル官能基が形成されます。共有結合固定化では、タンパク質の小さな断片または短いペプチドが表面に結合します。ペプチドは非常に安定しており、この方法により生体適合性が向上することが研究で示されています。湿式化学法は、タンパク質固定化の好ましい方法の 1 つです。化学種を有機溶液に溶解し、反応を起こしてポリマーの疎水性を低下させます。表面安定性は、物理的吸着よりも化学修飾の方が高くなります。また、細胞増殖や体液の流れに対する生体適合性も高くなります。

生体材料の光化学的修飾を利用して、生体分子をポリマーにグラフトする試みが成功している。これらの技術では、高エネルギー光子（通常は紫外線）を使用して化学結合を切断し、フリーラジカルを放出する。生体材料の表面電荷を好ましい方向に変化させることで、タンパク質の接着を促進することができる。タンパク質接着の改善は、宿主とインプラントのより良好な統合につながる。Maらは、さまざまな表面基の細胞接着を比較し、OHとCONH _2がCOOHよりもPLLAの濡れ性を改善することを発見した。^[21]

生体材料の表面にマスクを適用することで、選択的な表面改質が可能になります。紫外線が透過する領域は、細胞がその領域により良好に付着するように改質されます。

達成可能な最小フィーチャ サイズは次のように表されます。

${\displaystyle CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}}$

どこ

${\displaystyle \,CD}$最小の特徴サイズ

${\displaystyle \,k_{1}}$(一般にk1 係数と呼ばれる) は、プロセス関連の要因をカプセル化する係数であり、通常、生産の場合は 0.4 になります。

${\displaystyle \,\lambda }$使用される光の波長

${\displaystyle \,NA}$ウェハから見たレンズの 開口数である。

この式によれば、波長を短くし、開口数を増やすことで、より高い解像度が得られます。

グラフト形成は、グリコール酸と乳酸の添加量の比率によって材料全体の親水性を向上させます。ブロックポリマー（PLGA）は、グリコール酸の量を制御することで表面の疎水性を低下させます。ただし、これによって材料の親水性傾向が増加するわけではありません。ブラシグラフトでは、アルコールまたはヒドロキシル基を含む親水性ポリマーが光重合によって表面に配置されます。^[22]

プラズマ技術は、極薄（数nm）で密着性のあるコンフォーマルコーティングを堆積できるため、特に有用である。^[23]グロー放電プラズマは、真空を低圧ガス（アルゴン、アンモニア、酸素など）で満たすことによって生成される。次に、ガスはマイクロ波または電流を使用して励起され、イオン化される。次に、イオン化されたガスは高速で表面に投げ出され、発生したエネルギーによって表面が物理的および化学的に変化します。^[24]変化が起こった後、イオン化されたプラズマガスは表面と反応して、タンパク質が付着する準備が整います。^[25]ただし、エネルギー量が多いため、表面は機械的強度やその他の固有の特性を失う可能性があります。

得られる生体材料の最終用途に応じてタンパク質を固定化するためのプラズマベースの技術がいくつか開発されている。^[26]この技術は、スマートな生体活性表面を生成するための比較的迅速なアプローチである。

細胞外マトリックス（ECM）タンパク質は、骨形成のプロセス、すなわち骨形成細胞の付着と増殖、骨芽細胞への分化、マトリックス形成、および石灰化に大きく影響します。骨成長を促進するために、骨マトリックスタンパク質を含む骨接触デバイス用の生体材料を設計することは有益です。また、ハイドロキシアパタイト/β-リン酸三カルシウムなどのセラミック材料の表面に骨誘導ペプチドを共有結合して方向性を持って固定化し、骨芽細胞の分化を刺激して骨再生を改善することも可能です^[27] RGDペプチドは、チタンインプラント、ポリマー材料、およびガラス上での骨芽細胞の付着と移動を増加させることが示されています。細胞膜内の分子によって認識される他の接着ペプチドも、骨由来細胞の結合に影響を与える可能性があります。特に、フィブロネクチンのヘパリン結合ドメインは、骨形成細胞との特定の相互作用に積極的に関与しています。ヘパリン結合ドメインの改変は、内皮細胞や線維芽細胞の付着に影響を与えずに骨芽細胞の結合を強化する可能性があります。さらに、骨形成タンパク質ファミリーなどの成長因子は、骨形成を誘導する重要なポリペプチドです。これらの成長因子は、インプラントの骨結合を強化するために材料に共有結合することができます。

末梢神経系の損傷は、切断された隙間を埋めるために神経組織の自家移植によって治療されるのが一般的です。この治療には神経組織の再生が成功することが必要であり、遠位断端と接続するためには、軸索が近位断端から妨害なく成長する必要があります。神経誘導チャネル (NGC) は、新しい軸索の成長の導管として設計されており、これらの組織の分化と形態形成は、神経細胞と周囲の ECM との相互作用によって影響を受けます。ラミニンの研究では、このタンパク質が神経細胞の接着における重要な ECM タンパク質であることが示されています。ラミニンの重要な配列であるペンタペプチド YIGSR とIKVAV は、細胞の空間的構成を制御する能力を備え、神経細胞の接着を増加させることが示されています。

ステントや人工血管などの心血管デバイスは、デバイスが置換する特定の組織領域の特性を模倣するように設計することが重要です。血栓形成を減らすために、表面をフィブロネクチンとRGDを含むペプチドでコーティングすると、内皮細胞の付着が促進されます。ペプチドYIGSRとREDVも、内皮細胞の付着と拡散を促進し、最終的にインプラントの血栓形成を減らすことが示されています。^[28]

• 牛顎下腺ムチンコーティング