石川 邦夫九州大学 研究生院齿学研究院 生物材料学领域 教授 |  |
■骨骼与碳酸磷灰石与水酸磷灰石
骨骼的成分是含有6〜9质量％碳酸基的碳酸磷灰石。但作为人造骨投入临床应用的是不含碳酸基的水酸磷灰石（羟基磷灰石）。水酸磷灰石人造骨发明于1970年代，毫无疑问，这是一种具有骨传导性（将材料植入骨缺损处后，在材料表面骨骼与其结合的特性）的划时代材料。然而，水酸磷灰石人造骨的骨传导性不如自体骨。另外，自体骨可以通过骨重塑（通过吸收旧骨的破骨细胞和形成新骨的成骨细胞，将旧骨替换为新骨的生物功能）被新骨替换，而水酸磷灰石人造骨不会被替换。因此，骨缺损重建术的首选是自体骨移植（从健康部位采集移植骨，移植到骨缺损部位）。
由于陶瓷粉末会引起结晶性炎症，如果作为人造骨进行临床应用需要制成块状。研究发现，含碳酸基的碳酸磷灰石在烧制温度下会发生热分解，从磷灰石结构中除去碳酸基后，可以烧结成水酸磷灰石。另外，水酸磷灰石烧结体具有骨传导性，由此作为人造骨实现了临床应用，这就是水酸磷灰石人造骨的历史。
然而，生物体不是通过烧结形成骨骼的，而是在存在水的体内形成骨骼。无脊椎动物选择的骨骼成分是碳酸钙，它可以由海水成分构成。生物体在进化过程中需要向体内储存能量代谢所需的磷，因此选择了在碳酸钙中加入磷的碳酸磷灰石作为骨骼成分。笔者受进化的启发，将碳酸钙块体浸入磷酸盐水溶液中发现，其成分可以在保持形态不变的情况下变成碳酸磷灰石，因此命名为“溶解析出型”成分转变【1】、【2】。
■骨成分为碳酸磷灰石的人造骨
当在碳酸磷灰石块表面培养破骨细胞时，我们观察到了与骨骼一样的破骨细胞骨吸收陷窝。在水酸磷灰石表面未观察到吸收陷窝。破骨细胞会形成Howship陷窝（骨吸收表面的吸收陷窝），将内部变为弱酸性并吸收骨骼。在生理环境（pH7.4）下，碳酸磷灰石是比水酸磷灰石更稳定的稳定相，但在弱酸性区域，稳定相会发生逆转，碳酸磷灰石变得不如水酸磷灰石稳定，容易被溶解。利用人造骨重建实验动物的骨缺损发现，相对于水酸磷灰石完全没有被替换，而碳酸磷灰石在经过一段时候后完全被新骨所取代。另外，碳酸磷灰石人造骨与其他人造骨相比显示出超高的骨传导性（图1）。
图1：使用人造骨重建比格犬颌骨种植体旁边的骨缺损，4周后的病理组织图像（Villanueva Goldner染色，绿色为成熟骨）
在进行了包括使用模拟试验（利用实验动物确认医疗器械性能的试验）在内的非临床试验后，我们在种植牙的前提下，实施了碳酸磷灰石人造骨用于上颌窦提升术实施的骨缺损重建的多设施临床试验。上颌窦提升术被归类为两阶段的手术，可以在用碳酸磷灰石形成骨骼后再植入种植牙，因此可以进行活检（活体组织检查）。不仅在骨形成和种植体固定等所有评估项目均被证明100％有效，而且还验证了碳酸磷灰石人造骨即使在人体内也能被新骨所替代【3】、【4】。
根据多设施临床试验的结果，碳酸磷灰石人造骨于2017年12月被药事机构批准为全球首个骨成分为碳酸磷灰石的人造骨，并于2018年2月由日本最大的牙科材料企业GC以“Cytrans Granules”品名商品化。此前在日本，用于以种植牙为前提的骨重建术的人造骨和用于超负荷部位的人造骨一直未获得过药事批准。碳酸磷灰石人造骨是日本首个获准用于以种植牙为前提的骨重建术和超负荷部位的骨重建术等所有牙科领域的人造骨。
■超越自体骨的碳酸磷灰石人造骨
如上所述，根据自体骨的成分发明的碳酸磷灰石人造骨，具有与自体骨不相上下的骨传导性，但还未能超越自体骨。人造骨相对于自体骨的优势是可以灵活控制其结构。因此，制备了具有三维连通孔或一维连通孔的碳酸磷灰石人造骨。三维连通孔结构是通过对用喷雾干燥法制备的氧化钙球进行处理，使其溶胀结合并碳酸化和磷酸化制备的。虽然机械强度还需要进一步改善，但由于是三维结构，植入4周内就会能被新骨替换。一维连通孔（蜂窝结构）结构的人造骨通过挤压成型法制备。具体来说，是通过将含碳酸钙的粘合剂通过蜂窝模具挤出，并进行脱脂和磷酸化制备的。蜂窝结构拥有强烈的毛细管现象，在骨缺损部会瞬间吸收血液等。利用这种碳酸磷灰石蜂窝人造骨时，可以非常简单地实现自体骨也难以重建的垂直型骨形成（例如，牙齿脱落后颌骨高度会变低。重建颌骨高度的术式等在无骨部位垂直形成骨骼的术式称为垂直型骨形成）（图2）【5】。
图2：利用碳酸磷灰石蜂窝人造骨在兔子头盖骨上进行垂直骨再造
左：碳酸磷灰石蜂窝人造骨的照片与术后4周的微CT图像
右：术后4周的病理组织图像（苏木精-伊红染色，红色为成熟骨，方框内是垂直剖面的通孔放大图）
包括使用3D打印机控制结构在内，碳酸磷灰石人造骨的结构可以自由控制。另外，人造骨的结构与成分都是决定骨再生的重要因素。今后的目标是推进碳酸磷灰石人造骨的结构控制，使性能远远高于自体骨的碳酸磷灰石人造骨获得药事批准。
参考文献
【1】：Kunio Ishikawa: Bone substitute fabrication based on dissolution-precipitation reaction. Materials, 3, 1138-1155, 2010
【2】：Kunio Ishikawa: Carbonate apatite artificial bone. Science and Technology of Advanced Materials, 22(1), 683-694, 2021.
【3】：Kudoh K, Fukuda N, Kasugai S, Tachikawa N, Koyano K, Matsushita Y, Ogino Y, Ishikawa K, Miyamoto Y: Maxillary sinus floor augmentation using low-crystalline carbonate apatite granules with simultaneous implant installation: First-in-human clinical trial. J Oral Maxillo Sur, 77(5):985.e1-985.e11, 2019.
【4】：Nakagawa T, Fukuda N, Kasugai S, Tachikawa N, Koyano K, Matsushita Y, Sasaki M, Ishikawa K, Miyamoto Y: Application of low crystalline carbonate apatite granules in two-stage sinus floor augmentation: a prospective clinical trial and histomorphometric evaluation. J Periodont & Imp Sci, 49(6), 382-396, 2019.
【5】：Ishikawa K, Munar ML, Tsuru K, Miyamoto Y: Fabrication of carbonate apatite honeycomb and its tissue response. J Biomed Mater Res Part A, 107A:1014–1020, 2019.
原文：《产学官合作月刊》，2022年1月号
翻译编辑：JST客观日本编辑部
