N A IST 医療のための有機−無機ハイブリッド新素材医療のための有機−無機ハイブリッド新素材奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科生体適合性物質科学講座スタッフ：教授谷原正夫，助教授大槻主税，助手尾形信一，宮崎敏樹ホームページ： http://mswebs.aist-nara.ac.jp/LABs/tanihara/index-j.html N A IST 1. 連続微細気孔を持つセラミック多孔体の製造法生理活性を持つペプチドを坦持させる生体吸収性セラミックスを天然有機高分子を用いた製造法で簡便に合成する。（人工骨，再生医療用素材，その他のセラミックス多孔体の製造にも応用可能）生体吸収性セラミックスとして，リン酸カルシウム（CaO-P2O5系化合物）を用いる。この出発原料粉末を種々の天然多糖類と水を所定量添加して，スラリーを合成する。このスラリーを多孔質の人工有機高分子に坦持させて乾燥後，1000℃および1400℃で焼成した。その結果，特定の多糖類を用いることで，図2に示すような直径10µm程度の微細な連続孔を持つ多孔体の合成に成功した。得られたガラスを粉砕・成形した後，加熱処理により焼結と結晶化させる。人工有機高分子に坦持させるスラリー量を減らすことで，直径10µm程度の気孔を持つ骨格が，150µm以上の大きな気孔を構成するヒエラルキー多孔体の開発も可能となった。骨組織を支援する人工骨のマイクロ構造モデルリン酸カルシウム系結晶化ガラス系体内で表面に骨の無機成分に類似したアパタイトを形成する生体活性セラミックス。骨組織の再生に合わせて吸収される成分で設計。骨組織を形成する細胞が増殖するための気孔。骨組織の再生を促すペプチドや生体高分子を導入。結晶化ガラス系では大きな気孔の多孔体さらに体液環境下で水酸アパタイト（骨の無機質）と複合化生体内で吸収される多孔質セラミックス新生骨の形成を助ける足場体液環境下でのアパタイト複合化アパタイト生体活性な結晶化ガラス 100 µm 微細な孔を持つ生体吸収性セラミックス 500 µm 大きな孔を持つ生体活性セラミックス 3 µm 生体活性セラミックスは体液や擬似体液中で表面にアパタイトを形成する 2. 感温硬化性有機−無機ハイブリッドゲルの製造法生体吸収性の無機材料表面を有機高分子で修飾することにより，体温で暖められると可逆的に硬化と流動化の転位を起こすゲルにする。（骨セメントや骨充填材，その他のセラミックス微粉末に温度応答性を付与する技術として応用可能）主原料：リン酸カルシウムセラミックス粉末，ゲル形成用有機高分子，水骨の構成成分と同じリン酸カルシウムの微粉末を有機高分子とハイブリッド化して，温度という刺激に応答する「インテリジェント性」を付与します。室温付近暖めると硬化します。冷やすと流動化します。体温付近体外では形を変えることができ，骨に埋入されると固まるような「形を変えることのできる人工骨」への応用が考えられます。医療用新素材の開発新しい生体適合性材料の開発無機材料セラミックスの特徴硬い耐熱性が大有機材料有機−無機ハイブリッド新しい治療方法新しい人工臓器新しい医薬有機ポリマーの特徴柔らかい加工が容易生体適合性機構の解明生体と材料の相互作用 ■ 講座概要生体と材料の相互作用を分子レベルで解析して，生体適合性機構を解明し，これを基に新しい生体適合性材料の設計と創成を行います。さらに，新しい人工血管，人工骨，人工皮膚等の人工臓器，新しい治療方法，新しい医薬やDDS等への応用につながる研究を行い，その結果得られた情報を生体適合性機構の解明や新材料の設計にフィードバックします。これらを本講座の教育・研究方針の3本柱とし，医療の質やQOLの向上につながる有用な材料の創成を目指します。 ■ 主な研究分野 (1) 生体適合性機構の解明生体（遺伝子，蛋白質，細胞，組織，個体）と材料の相互作用を分子レベルで解析して，生体適合性機構の解明と新材料設計に必要な知見を得ます。 (2) 新しい生体適合性材料の設計と創成有機ポリマーやセラミックス，ペプチドを用いて，生体親和性が良いだけでなく，生体組織と情報交換が可能なインテリジェントマテリアルの創成を目指しています。さらに，従来の有機ポリマーやセラミックスが単独では得られない機能性材料を，有機ー無機ハイブリッドにより設計します。例えば，生体内で表面に自発的にアパタイト(骨組織の無機成分)を形成して異物反応を起こさず生体組織と結合できる生体活性セラミックスの基礎となる化学成分を有機修飾した有機−無機ハイブリッドを合成し，生体親和性と種々の機能を併せ持つ組織置換材料を創成します。また免疫反応や炎症反応を司る情報伝達や組織再生に対して特異な活性を持つペプチドを設計します。これらを，組織修復材に複合化すれば，抗炎症剤や骨粗鬆症の予防などの薬理機能や組織再生を促す機能を持つ材料になると期待されます。体液 P(V) Ca (II) H Ca (II) アパタイトアパタイト H H Si O O O O H O- Ca2+ -O Si O Si 有機高分子鎖体内で表面にアパタイトを析出する生体活性な有機-無機ハイブリッドの設計概念図 ■ 研究設備高速液体クロマトグラフ，蛍光・吸光プレートリーダー，ペプチド合成装置，生体試料用S E M， D N Aシークエンサー，紫外可視分光解析システム，超高速昇温電気炉，遊星型ボールミル，硬組織用薄切標本作成システム，熱分析(TG-DTA)システム，デジタル万能材料試験機，共焦点レーザー顕微鏡 ■ 共同研究・社会活動など・高分子学会，日本化学会，日本免疫学会，日本人工臓器学会，日本セラミックス協会，日本バイオマテリアル学会等・京都大学医学部形成外科学教室，岡山大学工学部・医学部，聖マリアンナ医科大学難病治療研究センター，ポルト大学医療工学研究所（ポルトガル）等 ■ 最近の話題・谷原正夫教授と日本メディコ（株）の共同研究が，科学技術振興事業団の平成12年度独創的研究成果育成事業に採択される採択されたテーマは，「インテリジェント癒着防止剤」で，外科手術後の癒着を防止する材料です。外科手術後，傷口と他の組織や臓器との間で癒着が起こると，回復中から回復後の長期にわたり種々の合併症の原因となり，しばしば再手術が必要となるなどの問題を生じます。特に，内臓手術では70％以上の頻度で癒着が発生すると言われており，臨床現場のニーズが非常に強いにもかかわらず，十分な性能を持つものが無いためほとんど使用されていません。そこで，多糖類と温度感応性分子のグラフト体が室温から体温への温度変化でゲル状の被膜を形成するという発見に基づき，傷口付近に液体で適用すると正常組織との間に被膜を形成して癒着を防止し，治癒完了後には安全に分解消失する機能を持ち，内視鏡手術にも対応できるインテリジェント癒着防止剤を試作しようとするものです。・大槻主税助教授が「2000年度バイオマテリアル科学奨励賞」受賞日本バイオマテリアル学会は，生体に使用する材料およびその応用に関する科学・技術の発展・向上を目的とし，医学，歯学，工学，理学，薬学，生物学など幅広い分野の研究者で構成されている。バイオマテリアル科学奨励賞は，この学際領域で優れた研究論文を発表している40才未満の研究者に対して授与される。受賞課題は「生体活性セラミックスの表面におけるアパタイト層の形成機構」。