原子レベルで本物の骨を再現！　究極の人工の骨を作る

人工材料を使った骨の治療法とは？

骨折や関節の機能障害などの治療の一つに、手術で人工の骨デバイスを入れる方法があります。人工骨の材料には金属が使われることが多いのですが、その強度が高すぎると周りの骨に力がかからなくなる「応力遮蔽（しゃへい）」が生じて周りの骨がやせ細ってしまうといった問題が起こります。人工の骨をいかに元の骨と一体化させるかが重要なのです。そこで、骨の構造を原子レベルから明らかにして、さらに骨を作る細胞の仕組みから深掘りすることで、生体の骨に限りなく近い人工の骨を作る研究が行われています。

決め手は骨芽細胞の並び方

生体の骨の主な構成成分は、ベースとなるコラーゲンと、その周囲に六方晶系の結晶構造を作るアパタイトです。このコラーゲンとアパタイトの構造には方向性があり、その向きが骨の強度を決定しています。骨は骨芽細胞によって作られますが、骨芽細胞が一定の向きを持って並ぶことで、方向性を持った骨ができます。骨芽細胞をうまく操作することができれば、体内に入れた金属の骨の表面に患者本人の骨芽細胞を適切に並べて、元の骨と一体化するような骨を作れるようになります。まずはネズミの骨芽細胞を使って、体外でチタンなどの金属表面に並ばせて、生体と同じように骨が作れるかどうかが調べられています。骨芽細胞は周囲の形状を探知できるため、段差や溝などを金属表面に作り、それに沿って並ばせることができます。また、骨芽細胞が正しく並ぶためには、骨を壊す破骨細胞や、応力を感じる骨細胞からのシグナルが必要であることもわかってきました。

3Dプリンタで原子から骨に近づける

一方で、人工骨の金属部分も生体の骨に近づけなければなりません。金属3Dプリンタ技術を使えば、表面の溝などの加工だけでなく金属の原子の向きも調整できるので、より本物の骨に近い強度の金属材料が開発されています。
今後はさらに、細胞が骨を作る仕組みの解明や、骨の状態をモニタリングして骨の病気を早期に発見できる技術の開発なども目標とされています。

※夢ナビ講義は各講師の見解にもとづく講義内容としてご理解ください。

※夢ナビ講義の内容に関するお問い合わせには対応しておりません。

先生情報 / 大学情報

大阪大学工学部応用理工学科マテリアル生産科学科目准教授松垣あいら先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

生体材料学、生体医工学、材料工学

先生が目指すSDGs

メッセージ

勉強やその他の活動に関して自分で限界を作らないことが大事です。例えば選択しなかった科目についても関係ないと思わずにちょっとかじってみましょう。すべてのことはどこかでつながっていますし、視点が多いのは強みになります。私自身、化学、生物学から工学にきて、もっと物理を勉強しておけば良かったな～と思っています。高校時代は自分という木の幹を作る期間であり、大学ではそこから枝分かれしていきます。立派な枝になるように、高校時代にいろいろなことに首を突っ込んで基礎固めをして、太い幹を作っておいてください。

大阪大学に関心を持ったあなたは

自由な学風と進取の精神が伝統である大阪大学は、学術研究でも生命科学をはじめ各分野で多くの研究者が世界を舞台に活躍、阪大の名を高めています。その理由は、モットーである「地域に生き世界に伸びる」を忠実に実践してきたからです。阪大の特色は、この理念に全てが集約されています。また、大阪大学は、常に発展し続ける大学です。新たな試みに果敢に挑戦し、異質なものを迎え入れ、脱皮を繰り返すみずみずしい息吹がキャンパスに満ち溢れています。