自ら発電し、組織を若返らせるスマートデンタルインプラントを開発

自ら発電し、組織を若返らせるスマートデンタルインプラントを開発 健康

歯学部のGeelsu Hwang教授らは、細菌の繁殖に強く、噛んだり磨いたりすることで自ら発電し、組織を若返らせる光を発するスマートデンタルインプラントを開発しています。

アメリカでは、300万人以上の人が、虫歯や歯周病、怪我などで失った歯の代わりに、インプラント治療を受けています。インプラントは、入れ歯やブリッジに比べて飛躍的な進歩を遂げており、より確実にフィットし、20年以上の耐久性を持つように設計されています。

しかし、インプラントはその期待を裏切り、5~10年後に局所的な炎症や歯周病のために交換が必要になることが多く、患者さんは高額で侵襲的な処置を繰り返さなければなりません。

ペンシルベニア大学歯学部のGeelsu Hwang助教授は、工学の知識を活かして口腔衛生の研究に取り組んでいます。「私たちはこの問題を解決したいと考え、革新的な新しいインプラントを開発しました。」

この新しいインプラントには、2つの重要な技術が採用されているとHwang氏は言います。1つは、バクテリアが定着しにくいナノ粒子入りの素材。もうひとつは、光源を埋め込み、噛んだり歯を磨いたりする口の自然な動きを利用して光線治療を行うことです。ACS Applied Materials & Interfaces誌に掲載された論文と、Advanced Healthcare Materials誌に掲載された2020年の論文で、Hwang氏たちはこのプラットフォームを説明しています。このプラットフォームは、歯科用インプラントだけでなく、人工関節などの他の技術にも応用できる可能性があります。

「光線治療は、さまざまな健康問題に対応できます。しかし、生体材料を埋め込んだ後に、電池を交換したり充電したりするのは現実的ではありません。私たちは、口腔内の自然な動きから電力を生成できる圧電材料を用いて、光線療法を行うことができる光を供給しており、歯肉組織を細菌から守ることに成功していることがわかりました。」

「スマート」な歯科用インプラント

バイオフィルムに抵抗するナノ粒子と電池式の光を利用して、周囲の歯肉組織の健康を促進する「スマート」な歯科用インプラントは、現在のデバイスを改良する可能性がある。©Albert Kim

この論文では、研究者たちが探究した材料はチタン酸バリウム(BTO)で、キャパシタやトランジスタなどの用途に活用される圧電特性を持っていますが、抗感染性の移植可能なバイオマテリアルの基盤としてはまだ探究されていませんでした。研究チームはまず、BTOのナノ粒子を埋め込んだディスクを用いて、虫歯の原因となるバイオフィルム(歯垢)の主成分であるストレプトコッカス・ミュータンス菌に接触させ、インプラントの土台としての可能性を検証しました。その結果、このディスクは用量依存的にバイオフィルムの形成に抵抗することがわかりました。BTOの濃度が高いディスクの方が、バイオフィルムの結合を防ぐ効果が高かったのです。

以前の研究では、BTOは光触媒反応や電気的偏光反応によって発生する活性酸素種を利用して細菌を完全に死滅させるのではないかと考えられていましたが、Hwang氏たちは、これらのアプローチでは効果が短期間で終わってしまい、オフターゲット効果もあるため、そのような効果はないと考えました。それどころか、この材料は負の表面電荷を増強し、負に帯電したバクテリアの細胞壁を反発させます。この反発効果は長続きする可能性が高いと、研究者らは述べています。

「バクテリアの問題は一度だけの脅威ではないので、長期間にわたってバクテリアの増殖に抵抗できるインプラント材料を求めていました。」とHwang氏は言います。

この材料の発電特性は持続し、長期間の試験でも溶出は見られませんでした。また、歯科用材料として使用されている他の材料と同程度の機械的強度を示しました。

さらに、研究者たちの実験では、この素材が正常な歯肉組織を傷つけることはなく、この素材が口腔内で悪影響を及ぼすことなく使用できるという考えを裏付ける結果となりました。

この技術は、科学センターの研究促進プログラムである「QED Proof-of-Concept」プログラムの最終選考に残っています。最終選考に残った12人のうちの1人として、Hwang氏たちは商業化の専門家の指導を受けることになります。最終選考に残った3社のうちの1社になると、最大20万ドルの資金提供を受けられる可能性があります。

今後、研究チームは、スマートな歯科用インプラントシステムをさらに改良し、新しい素材を試したり、インプラント部品の各面にアサイメトリックな特性を持たせたりしたいと考えています。たとえば、歯ぐきに面した面では組織の統合を促し、口内に面した面では細菌の発生を防ぐような特性を持たせることも考えられます。

「今後、このインプラントシステムをさらに発展させ、最終的には商品化して歯科医療の現場で使用できるようにしたいと考えています。」とHwang氏は語ります。

Published by University of Pennsylvania, Details ACS Applied Materials & Interfaces (2021) DOI: 10.1021/acsami.1c11791, Advanced Healthcare Materials (2020). DOI: 10.1002/adhm.202000658

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