市販の鎮痛剤、理学療法、ステロイド注射......すべてを試しても、膝の痛みに悩まされる人もいることだろう。膝の痛みは、軟骨のすり減りが進行して起こる変形性膝関節症が原因であることが多く、成人の6人に1人、世界では8億6700万人が発症していると言われている。膝関節の全置換を避けたい患者にとって、早く、痛みのない状態に戻し、その状態を維持することができる別の選択肢が間もなく登場するかもしれない。
デューク大学が率いる研究チームは、Advanced Functional Materials誌に、本物よりもさらに強く、耐久性のあるゲルベースの軟骨代替品を初めて作成したことを発表した。2022年8月4日に掲載されたこの論文は「軟骨よりも強度と耐摩耗性が高い合成ハイドロゲル複合体（A Synthetic Hydrogel Composite with a Strength and Wear Resistance Greater Than Cartilage）」と題されている。
デューク大学の研究チームが開発したハイドロゲル（吸水性ポリマーでできた素材）は、天然の軟骨よりも強い力で押したり引いたりすることができ、摩耗や損傷に対する耐性が3倍高いことが、機械的試験で確認された。
この素材を使ったインプラントは、現在Sparta Biomedical社が開発し、羊でテストしているところだ。研究者らは、来年にはヒトでの臨床試験を開始できるように準備を進めている。
デューク大学機械工学・材料科学教授のケン・ガル博士とともに研究を主導したデューク大学化学教授のベンジャミン・ワイリー博士は、「すべてが計画通りに進めば、早ければ2023年4月に臨床試験を開始できるだろう」と語っている。
この材料を作るために、デューク大学の研究チームは、セルロース繊維の薄板にポリビニルアルコールというポリマーを注入し、ゲルを形成させた。セルロース繊維は、天然の軟骨に含まれるコラーゲン繊維のような働きをし、伸ばしたときにゲルに強度を与える。ポリビニルアルコールは、ゲルが元の形状に戻るのを助ける。その結果、60％が水分でできたゼリーのような素材が出来上がり、しなやかでありながら驚くほど丈夫になった。
天然の軟骨は、1インチあたり5,800ポンドから8,500ポンドの力で引っ張ったり押したりしても、その限界に達することはない。この研究室で作られたものは、それ以上の強度を持つ初めてのハイドロゲルだ。このハイドロゲルは、キーホルダーでグランドピアノを7台吊るすような引張強度では天然軟骨の26％、切手の上に車を駐車するような圧縮強度では66％の強度がある。
「ハイドロゲルの強度という点では、本当に桁外れだ」と、ワイリー博士は語っている。
研究チームは既に、驚くべき特性を持つハイドロゲルを作っている。2020年には、彼らは、一歩ごとに体重の 2 ～ 3 倍の力を感じる膝に十分な強度を持つ最初のハイドロゲルを作成したと発表した。
しかし、このゲルを軟骨の代わりとして実用化するには、さらなる設計上の課題があった。ひとつは、軟骨の強度の上限を達成すること。膝の軟骨にかかる圧力は10メガパスカル、つまり1平方インチ（6.45平方センチメートル）あたり約635キログラムだ。しかし、軟骨はその4倍の圧力がかかっても壊れることはない。
「改善の余地があることは分かっていた」とワイリー博士。
これまで、より強度の高いハイドロゲルを作ろうとする研究者は、凍結融解処理によってゲル内に結晶を生成し、これが水分を追い出してポリマー鎖の結合を助ける方法を取ってきた。今回の研究では、ハイドロゲルを凍結融解する代わりに、アニーリングと呼ばれる熱処理を行い、ポリマーネットワーク内にさらに多くの結晶を形成させることに成功した。
結晶の含有量を増やすことで、凍結融解法と比較して、引っ張りによる応力が5倍、絞りによる応力が2倍近くになるゲルを作製することができたのである。
アニーリング処理されたゲルの強度が向上したことで、設計上の2つ目の課題である、関節に固定して固定させるという課題も解決することができた。
軟骨は、骨の端を覆っている薄い層で、骨同士がすり合わないようにするためのものである。これまでの研究では、ハイドロゲルを骨や軟骨に直接貼り付けても、緩んだり滑り落ちたりしないような十分な強度を確保することはできなかった。そこで、デューク大学の研究チームは、別の方法を考え出した。
その方法は、ハイドロゲルをチタン製の土台にセメントで固定するものである。そして、これを損傷した軟骨があった穴に押し込んで固定する。テストによると、このデザインは、天然の軟骨が骨に固定されるよりも68%も強固に固定されるとのことだ。
「膝のインプラントでもうひとつ心配なのは、インプラント自体や反対側の軟骨の経時的な摩耗だ」とワイリー博士は言う。
しかし、これらの素材は軟骨よりも硬いため、膝の他の部分と擦れ合ってしまうのだ。
そこで、人工軟骨と天然軟骨を100万回回転させ、歩行時と同じような圧力をかけて摩耗試験を行った。マイクロCTと呼ばれる高解像度のX線スキャン技術により、研究室で作られた人工軟骨の表面は、本物の軟骨よりも3倍も耐久性があることが分かった。また、ハイドロゲルは本物の軟骨のように滑らかで、滑りやすく、クッション性があるため、他の関節面がインプラントに接触しても摩擦から保護することができる。
天然の軟骨は驚くほど丈夫なものだ。しかし、一度損傷すると、血管がないため、治癒能力が限られているとワイリー博士は言う。
米国では、変形性関節症は100年前と比べて2倍も多くなっている。保存的治療がうまくいかない場合、手術が選択肢になる。緩んだ軟骨を除去したり、穴を開けて新しい軟骨の成長を促したり、ドナーから健康な軟骨を移植するなど、外科医は数十年にわたり低侵襲なアプローチを数多く開発してきた。しかし、これらの方法はいずれも数ヶ月のリハビリを必要とし、時間の経過とともに何割かは失敗する。
一般に、膝関節全置換術は最後の手段と考えられているが、痛みを和らげる方法として実績がある。しかし、人工関節は永遠に使えるわけではない。特に若い世代の患者で、大きな手術は避けたいけれども、将来的にまた交換する必要があるような装置には、「あまり良い選択肢がない」「これは、この段階の人々にとって、劇的な治療の変化になると思う」とワイリー博士は語っている。
この研究は，Sparta Biomedical社とデューク大学のShared Materials Instrumentation Facilityから一部支援を受けている。ワイリー博士とガル博士はSparta Biomedical社の株主である。
Image Credit: Benjamin Wiley
