チタニア ナノチューブを AM 整形外科用インプラントに組み込み、局所的な薬物送達を実現

2021年11月22日

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Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI) ジャーナル マテリアルズに最近発表された研究「3D プリント Ti-6Al-4V インプラント上で合成されたチタニア ナノチューブ アーキテクチャとバンコマイシン放出プロトコルの評価」では、ターゲットに合わせて積層造形されたチタニア ナノチューブ (TNT) の可能性について論じています。整形外科用インプラントの薬物送達システム。

単純なギプスや添え木から、プレート、ネジ、ロッドなどの内部インプラント（通常はスチール、チタン、クロム、またはコバルトで作られています）への移行は、骨折または骨折した骨のサポートの進歩を示していますが、これらのインプラントには感染や拒絶反応などのリスクが伴います。 最悪の場合、これらのマイナスの結果は、四肢の喪失または患者の死亡につながる可能性があります。 ただし、これらの結果が生じる可能性があるにもかかわらず、内固定は多くの患者にとって好まれます。内固定は、副作用の可能性はあるものの、一般に骨が正しい位置で治癒する保証が高く、治癒が早くなるからです。

感染リスクを軽減するために、抗生物質が使用されます。 しかし歴史的には、抗生物質を経口または静脈内に投与する場合、これらが確実にインプラント自体を標的とすることは困難でした。 抗生物質を充填する骨セメントなどのより局所的な送達方法は、標的を絞ったオプションを提供しますが、抗生物質を十分に持続したレベルで放出する能力について疑問が生じています。 最近の論文では、この方法に代わる方法として、特注の積層造形インプラントの表面にチタニア ナノチューブを組み込む方法が提案されています。

最近の研究では、生物医学用インプラント表面に TiO2 ナノチューブ コートを使用すると生体適合性があり、組織の内方成長に適しており、強力な細胞接着と増殖が可能になることが報告されています。 この研究では、TNT は感染部位に特定の薬物を直接放出する有望な方法であると考えられました。

「3D プリント Ti-6Al-4V インプラント上に合成されたチタニア ナノチューブ アーキテクチャとバンコマイシン放出プロトコルの評価」の研究者らは、陽極酸化技術を使用して積層造形された Ti6AL4V 表面上に TNT アレイを合成し、抗菌性バンコマイシンの放出を観察および分析しました。二十四時間という期間。

ダッソー・システムズの CAD および CAE ソフトウェアである SolidWorks 2020 を使用して、25 x 25 x 2 mm の Ti6Al4V プレート インプラントを設計およびモデリングした後、レーザー ビーム粉末床融合 (PBF-LB) マシンである Mlab Cusing 100R を使用して積層造形しました。 GE アディティブ コンセプト レーザーから。 この部品は、タイ、バンコクの Meticuly Co Ltd によって D50 マイクロ Ti6Al4V 粉末を使用して製造されました。 陽極酸化プロセス中、このプレート インプラントはアノードとして機能し、Umicore の市販のプラチナ プレート (12 x 30 mm) がカソードとして機能しました。 制御された雰囲気下で、電気炉内でＴｉ６Ａｌ４Ｖプレートを９５０℃で２時間加熱した。

陽極酸化の前に、Ti6Al4V プレートの表面の凹凸は、80 ～ 2000 グリットの紙を使用した従来の研削と、酸性溶液、脱イオン水、およびエタノール内での超音波処理によって低減されました。

非常に高いアスペクト比を備えた規則的な TNT 配列によるナノ構造表面を実現するために、フッ素含有多価アルコール、特に生体適合性と生物活性のある表面を生成することで知られるエチレングリコールが電解質として使用されました。 粉砕した試験片を、エチレングリコール９８重量％、フッ化アンモニウム（０．５重量％）および脱イオン水１．５重量％の混合溶液を含む調製されたエチレングリコール系電解液に１、２、３および４時間浸漬した。 電解質溶液を磁気棒を用いて１００ｒｐｍで連続的に撹拌した。

製造後、研究者らは、電界放射型走査型電子顕微鏡（FESEM）、接触角計、フーリエ変換赤外（FTIR）、原子間力顕微鏡（AFM）、X線光電子分光法などの特性評価技術を使用して陽極酸化TNTを研究しました。形態、濡れ性挙動、チタニアのイオン間の相互作用、細孔サイズ、長さ、表面粗さに注目してください。

その結果、特定のパラメータ（電解質組成、電圧、大気圧、陽極酸化時間など）を制御することで、TNT を積層造形インプラントの表面に組み込んだときに適切な標的薬物放出システムとして機能するように十分に強化できることがわかりました。それにより感染のリスクを最小限に抑えます。

Ti6Al4V 表面上に形成された TiO2 の粗く、ナノ構造で、ナノ多孔質の性質は、AM インプラントの生体適合性と骨結合を促進すると期待されます。 研究者らは、薬物を充填したTNTが、感染症の治療に使用されている現在の全身薬物送達アプローチの代替手段として機能するだろうとの期待を表明している。

この論文は、タイ、バンコクのチュラロンコン大学冶金工学科の H-thaichnok Chunate、Jirapon Khamwannah、Atcharhamkongkaeo、Chiraporn Tongyam、Krittima Tumkhanon、Torlarp Sitthiwanit によって執筆されました。 チュラロンコンの冶金工学科と生物医学研究センターのアブドゥル・アジーズ・アブドゥ・アリユ氏、チェッタ・パンクレオブトル氏、ブンラット・ローウォンワタナ氏。 チュラロンコン大学冶金工学部およびバンコクのメティキュリー社バイオメカニクス研究センターのタナワット・ペトラッタナランシ氏とデチャウット・デチャウンパイ氏。 チュラロンコーン整形外科のサラン・タンタヴィスト氏。 メティキュリーのバイオメカニクス研究センターのファランロイ・ポンジラウィッシュ氏。 とチュラロンコンの生体材料試験センターのティーラパット・チャナムアンコン氏。

「3D プリントされた Ti-6Al-4V インプラント上で合成されたチタニア ナノチューブ アーキテクチャとバンコマイシン放出プロトコルの評価」の全文は、こちらからご覧いただけます。

www.chula.ac.th

www.meticuly.com

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