機械的、熱的、化学的な損傷を受けても、外部からの助けを借りずに元の特性を回復する独自の能力を持つ材料群が存在します。「自己修復」材料と呼ばれるこれらの物質は、生物医学分野において有望な研究領域であり、創傷ケア、医療機器、薬物送達などへの応用が進められています。
人体組織や体内の複雑な環境と適合しながら自己修復できる物質は限られています。CAS Content CollectionTMを用いた最新の調査により、どの材料がこれらの生物医学的進歩において最大の可能性を秘めているか、またどの用途ですでに大きな進展が見られるかが明らかになりました。
自己修復材料の仕組み
「自己修復」とは、損傷後にマクロレベルまたは分子レベルで自らを修復できる多くの材料を指します。生物医学的用途において最も一般的に使用される自己修復材料には、ポリマー（結合した巨大分子）が組み込まれており、可逆的な化学結合を形成できるように改変されています。キトサンなどの天然由来材料やPEGのような合成材料を含む多種多様なポリマーが、自己修復型の生物医学的用途として活発に研究されています。無機材料、配位化合物、金属も現在の文献で広く取り上げられています（図1を参照）。
ポリマーは、人体での使用に重要な柔軟性や生体適合性といった特性を備えています。また、他の特性に加えて、自己修復相互作用に関与するように設計可能な側鎖を持つこともできます。例えば、自己修復材料の化学組成には水素結合が含まれていることが多く、これはタンパク質に一般的であり、室温でも容易に切断および再形成が可能です。
その再形成とはどのようなものでしょうか。針を通して押し出されるゲル状の物質を考えてみてください。そのゲルに可逆的な自己修復結合が含まれている場合、針を通過する際のストレスによって結合が一時的に切断され、液体のような状態になります。
その後、注入後に体内で結合が再形成され、物質のゲル状の特性が回復します。
現在および将来の医療応用
自己修復材料は、すでに多くの埋め込み型デバイス、創傷被覆材、薬物送達システムで使用されています。現在最も注目されている研究の一つにハイドロゲルがあります。これは、自己修復特性を持つように設計可能な、水ベースの生体適合性材料の広範なグループです。ソフトコンタクトレンズは生物医学で使用されるハイドロゲルの例ですが、研究者はこれらの材料のさらなる可能性を見出しています。
- 創傷ケア：ハイドロゲルはその柔らかさと柔軟性で人体組織を模倣でき、抗菌特性を持つように設計することも可能で、これらすべてが創傷治癒を助けます。例えば、ある研究グループは、不規則な深い火傷の創傷床に注入できるハイドロゲルを開発しました。また、膝や肘のように頻繁に伸縮する部位の近くの傷に対して、注入可能で生体適合性のある自己修復ハイドロゲルを作成した研究者もいます。
特に、キトサンやセルロースのような天然ポリマーがこれらのハイドロゲルに使用されています。これらの植物由来材料は体内で優れた安定性を示し、広く入手可能です。また、化学的に改変して自己修復特性を持たせることもできるため、ハイドロゲルに関する出版物で天然ポリマーが頻繁に引用される理由となっています（図2を参照）。
- 組織スキャフォールド（足場）：自己修復ハイドロゲルは再生医療、特に組織や臓器の成長促進において有望視されています。スキャフォールドとして機能する場合、これらの材料は損傷を受けても体内で自らを修復できるため、組織の成長と修復を促進します。
例えば、研究者はポリアクリルアミド（PAAM）とゼラチンを使用して、機械的に適合性の高い相互侵入高分子網目（IPN）ハイドロゲルを開発しました。このPAAM/ゼラチンハイドロゲルは、物理的および化学的特性において天然の声帯組織と一致しており、音声修復のための人工接着組織インプラントとして機能しました。
中国の研究者も、筋肉生成のための繊維ハイドロゲル複合スキャフォールドを開発しました。この繊維は、グラフェン、メラトニン、およびポリ乳酸やポリカプロラクトンなどの生体適合性ポリマーの混合物からエレクトロスピニングされ、ハイドロゲルマトリックスにはヒアルロン酸誘導体が使用されました。
ハイドロゲルは硬組織の再生にも使用できることが、ある研究グループによって実証されています。このハイドロゲル複合体には、ポリアクリル酸-カルボキシメチルキトサン処理された象牙質マトリックスと可逆的な結合を形成するリン酸カルシウムが含まれており、さらにマトリックス内の動的なイオン結合と水素結合が続きます。この研究は、ハイドロゲルが生物活性を保持し、象牙質/骨の硬組織の再生を促進することを示しました。
- 薬物送達：ハイドロゲルは、針を通過する際のせん断応力によって切断される可逆的な架橋構造を持つように設計できます。このゲルは注入時には液体のように流動し、体内に入ると再びゲル状に戻ります。また、マイクロカプセルなどに薬剤を封入し、標的部位へ送達することも可能です。
例えば、pH応答性の注射用ハイドロゲルを用いて、がん治療薬を体内の特定の部位に送達し、送達後に分解させる手法が研究されています。別の研究チームは、ハイドロゲルを用いて化学療法薬を送達し、注入後に超音波ホーンで薬剤を活性化させる手法を開発しました。さらに、腫瘍切除後の空洞にハイドロゲルを注入し、残存するがん細胞を標的とした電気療法を行う研究も進められています。この二相性材料により、電極が空洞の形状に適合し、腫瘍部位の近くで低電圧の電場を発生させることが可能になりました。
注目すべき主要材料
CAS Content Collectionの文献および引用情報を分析した結果、過去20年間で自己修復材料に関する学術論文が着実に増加していることが分かりました。近年、論文数に対する特許数の比率が上昇していることは、この分野が商業化よりも初期段階の開発に重点を置いていることを示唆しています。
ポリマーに自己修復性を付与するために、共有結合や非共有結合を含む多くの化学的相互作用が利用されています。共有結合の例としては、動的なシッフ塩基結合が挙げられます。これはバイオマテリアルに広く利用されており、過去5年間で大幅に増加しました。この結合は、親核試薬とアルデヒドまたはケトンとの反応により、通常はイミンやオキシムといった結合を形成するもので、水の存在下で可逆的に反応します。その一例として、ジアルデヒド修飾ヒアルロン酸とシスタミンを混合した自己修復ハイドロゲルがあります。
前述の水素結合は一般的な非共有結合ですが、他にも疎水性相互作用、ホスト・ゲスト相互作用、静電相互作用、π-πスタッキング、そして特にカテコールと鉄(III)イオン間の金属配位結合などが利用されています。
また、ポリウレタンの合成に使用されるジイソシアネートの使用量も大幅に増加しています（図3参照）。これは、ポリウレタンが自己修復材料における新たな物質群として台頭していることを示唆しています。最近の特許文献では、自己修復性創傷被覆材に使用されるポリウレタンや、水素結合とジスルフィド結合に基づく自己修復性を持つヘパリン機能化ポリウレタンについて言及されています。
今日の研究が、明日のブレイクスルーへ
自己修復材料が医療分野で広く商業化されるまでには、まだ多くの課題を克服する必要があります。多くの場合、安全性と有効性を確認するために広範な臨床試験を経なければなりません。これらの技術革新は大部分が実験段階ではありますが、個別化医療や患者の生活の質の向上において計り知れない可能性を秘めています。治癒の促進、感染症の予防、体内の到達困難な部位への薬剤送達、そして身体機能を補助するデバイスの性能向上に貢献できるからです。
自然界の優れた材料と化学の革新を融合させることで、科学コミュニティは自己修復材料を用いた健康と回復のための新たな可能性を切り拓くことができます。急速に進化するバイオマテリアル分野における自己修復材料と最新のトレンドについては、当社の最新のインサイトレポートをご覧ください。
本記事は、中国の西湖大学との共同研究に基づいています。
