魚コラーゲンからの異方性丈夫なダブルネットワークヒドロゲルと骨へのその自発的なin vivo結合

軟骨や靭帯などの人体の柔らかい支持組織は、丈夫な材料であり、骨にしっかりと固定されています。これらの軟部組織は、一度負傷すると、in vivoで自然に再生できません。人工ソフトサポート組織として丈夫で生体適合性のあるヒドロゲルを開発すると、軟部組織損傷後の結果が大幅に改善されます。コラーゲンは、さまざまな階層アレイに組織されている柔らかい結合組織の主要な剛性成分です。Bester Sturgeon Fishから抽出された水泳膀胱コラーゲン（SBC）を使用したダブルネットワーク（DN）コンセプトに基づいた、コラーゲンフィブリルベースのタフヒドロゲルの新しいクラスの開発に成功しました。DNヒドロゲルであるSBC/PDMAAMは、最初のネットワークとして物理的/化学的に架橋された異方性SBCフィブリルで構成され、第2ネットワークとして中立の生体適合性ポリ（N、N'-ジメチルアクリルアミド）（PDMAAM）で構成されています。SBCフィブリルネットワークの異方性構造は、DNヒドロゲルに十分に保持されており、SBCの優れた線維形成能力を利用して、遊離注入法によって形成されます。コラーゲンの変性温度は、DNヒドロゲルで改善されます。これらのDNゲルは異方性の膨潤挙動を備えており、天然軟骨に匹敵する優れた機械的特性を示します。ウサギ膝の骨軟骨欠損にゲルを4週間移植することも、in vivoで優れた生体力学的性能を示しています。さらに、ヒドロキシアパタイト（HAP）コーティングDNゲル、HAP/SBC/PDMAAMゲルは、4週間後に骨に強く結合します。コラーゲンベースのハイブリッドDNゲルのこの新しいクラスは、柔らかく弾力性のあるセラミックとして、骨との優れた生体力学的性能と強力な結合能力を備えているため、次世代軟骨、骨欠損修復材料などの次世代整形外科インプラントを設計するための選択肢を拡大します。 - 身体の耐えている領域。

Soft supporting tissues in the human body, such as cartilages and ligaments, are tough materials and firmly fixed to bones. These soft tissues, once injured, cannot regenerate spontaneously in vivo. Developing tough and biocompatible hydrogels as artificial soft supporting tissues would substantially improve outcomes after soft tissue injury. Collagen is the main rigid component in soft connective tissues which is organized in various hierarchical arrays. We have successfully developed a novel class of collagen fibril-based tough hydrogels based on the double network (DN) concept using swim bladder collagen (SBC) extracted from Bester sturgeon fish. The DN hydrogels, SBC/PDMAAm, are composed of physically/chemically crosslinked anisotropic SBC fibril as the first network and neutral, biocompatible poly(N,N'-dimethylacrylamide) (PDMAAm) as the second network. The anisotropic structure of SBC fibril network, which is well retained in the DN hydrogels, is formed by free injection method, taking advantage of the excellent fibrillogenesis capacity of SBC. The denaturation temperature of collagen is improved in the DN hydrogels. These DN gels possess anisotropic swelling behavior, exhibit excellent mechanical properties comparable to natural cartilage. The 4 weeks implantation of the gels in the osteochondral defect of rabbit knee also shows excellent biomechanical performance in vivo. Furthermore, the hydroxyapatite (HAp) coated DN gels, HAp/SBC/PDMAAm gels, strongly bond to bone after 4 weeks. This new class of collagen-based hybrid DN gels, as soft and elastic ceramics, having good biomechanical performance and strong bonding ability with bone would expand the choice for designing next-generation orthopedic implants such as artificial cartilage, bone defect repair material in the load-bearing region of the body.