特集　生命機能と材料-生命機能マテリアル/生命現象マテリアル-

巻頭言
生命機能と材料特集号の出版にあたって
岡山大学大学院自然科学研究科機能分子工学専攻　教授　尾坂　明義
正倉院所蔵の瑠璃椀や朱塗りの象牙製のばちるの前に立つと,知らず知らずのうちに歴史という名の人類の記憶をたどろうとする自分に気づく.45億年前ともいわれる地球の誕生以来,さらに何十億年という気の遠くなるような時間を経て生命が誕生した.母なる大自然はこの間何を待っていたのであろうか,現代のすべての生き物に通じるDNAのシステムを作り上げるのにか.あるいは,そのシステムを作りあげたときの将来の姿を考えていたのでありましょうか?この45億年という時間は,仏教でいう弥勒菩薩の出現とほぼ期を一にする(実は56.7億年).人類の叡智はその精緻な生命システムの基本的要素を解読することができた.その今こそ,生命システムのもたらす奇跡的結果として営々と営まれてきた生命に対し、心からの畏敬を表す時であろう.
珊瑚虫はどのようにしてその生命の維持に適切な構造と各々に適切な位置を知り,まさにその場所に落ち着くことができるのか.アンモナイトやカタツムリ等巻貝類は,どうやって高等数学で初めて記述できるぐるぐる巻きの構造を知り,必要十分の成長を遂げ,それがすめば成長を止めることかできるのはなぜ・どうしてか?,その生命システムのなせる技を知るにつけ只々驚くばかりである.私たちの手足はいくらかの制限はあるもののほぼ自由な運動ができる.手をゆっくりとひらりひらりと翻しながら,禅の英傑である鈴木大拙は「これを妙というんだ」といったとか.腕を下から横に振り上げ振り下ろしている様子を表している図は,レオナルド・ダ・ビンチの有名な人体の運動図である.この図を描いている時,レオナルドの胸中には何が去来していたのか,想像するだに楽しい.今はマイクロソフトの創始者の手中にあるこの本物を先日東京で目の当たりにした時(記憶違いでなければよいが),天才は生命機能の神秘というよりは,人体の運動機構にしか目がいっていなかったのではと,筆者は考えている.
この美しい考え抜かれた生命の働きに対して崇敬の念を抱きながらも,現代の私たちが,そこから何かを真似ぶ(学ぶ)ことを,母なる大自然はきっと許して下さると信じている.それは,与えられた生を全うする,という大きな目標と命題が与えられているからに他ならない.すなわち,生命体の構造自体とその生成の機構を学び,近代科学の知恵を結集して,生命機能を受け持つ人工の材料を作りだすことは,大自然からすると人の知恵など知れたこと,身の程知らぬと哄笑に値するかもしれぬが,大型ジェット機を飛ばすことと比べれば,その方がよほど神を恐れぬワザであろう.機構を知り,その物理的・化学的機能を発揮する生命機能構造体をつくり(真の生命機能構造体に肉迫し),実際の生命体がいかにそれらを認識するかを確かめることは,決して母なる大自然に逆らうことではない.
今回の特集号には,これまで生命機能材料に携わってきている国内の碩学が,それぞれの得意とする領域について,その研究の粋を解説している.その意味で,生命機能マテリアルのいわば最高の解説書であろう.

第1章
生体セラミックスの骨組織結合性発現機序とこれに基づく医用材料設計
■著者
岡山大学大学院　自然科学研究科　機能分子化学専攻　医用生命工学講座　尾坂　明義　他

■要約
我が国には少子高齢化の波が押し寄せてきており,近い将来,高齢者が抱える医療費負担の問題は深刻化すると予想されている.病気や怪我で失った人体の組

織や機能を速やかに回復させることができれば,治療費や入院費が節減でき生活の質 (QOL) も向上する.組織の再生を支援するバイオマテリアルの研究分野においては,これを必要とする患者ができるだけ早期に社会復帰できるように,既存の製品に比べより優れた機能をもつ製品を開発することが重要であろう.本稿では,ごく限られたセラミックスのみが発現しうる生体活性(骨と直接結合する性質)に着目し,これらの材料が生体内で骨組織と接着するメカニズムを紹介する.また,ここから得られた知見に基づき,新たに設計・合成されたハイブリッド型医用材料について紹介する.


第1章
生体吸収性高分子複合材料による細胞の機能制御
■著者
物質・材料研究機構　生体材料センター　陳　国平　他

■要約
本稿では,このような生体吸収性高分子の多孔質材料でわれわれが取り組んできた複合多孔質材料,およびそれらを用いた細胞の機能制御について紹介します。


第1章
ホメオスタシスを調整する生体無機材料
■著者
物質・材料研究機構　生体材料センター　生駒俊之　他

■要約
我々の身体のホメオスタシスには,タンパク質(サイトカイン)の役割が極めて重要です.ナノテクノロジーを活用して,これらタンパク質を上手に必要なだけ放出させる材料創出技術の開発が求められています.ここでは,生体内に存在する無機化合物に着目して生命機能を支える「ものづくり」に関して紹介します.


第1章
魚類のウロコに認められる角膜様のコラーゲン配列とその形成メカニズムの解明
■著者
北海道大学大学院水産科学研究院　都木　靖彰

■要約
私たちのグループが研究している「ウロコ」は,ふだんは食べずに廃棄されている産業廃棄物です.海で捕れた魚介類は,貝殻やカニの殻,魚の骨やウロコなど,食べられない部分も含んでいます.なんと漁獲量の約半分は食べずに捨ててられているのです.これらの廃棄物から有用な成分を抽出して利用するための研究も現在の水産学の重要な課題です.ウロコの研究は,「廃棄される部分の有効利用法の開発」という意味で,水産学としても重要な研究なのです.


第1章
材料科学からみた骨組織の成因メカニズム
■著者
東京工業大学大学院　理工学研究科材料工学専攻　田中　順三　他

■要約
本稿では,本当の骨に変わる骨再生材料について紹介します.さらに,将来の骨転移ガンの治療から,高齢者の骨そしょう症に利用できる材料開発について簡単に述べます.


第1章
人工骨を用いた骨再生
■著者
東京医科歯科大学大学院医歯学総合研究科　脊椎・脊髄再生治療学講座　早乙女　進一　他

■要約
私たちは,組織工学的手法を用いることによって,自家骨移植にとって代わる治療法の開発を行なってきました.組織工学の主役は「細胞」,「薬剤」「足場」の3者といわれています.骨に関しては,「細胞--足場」,「薬剤--足場」の2者の組み合わせで再生が可能です.ここで私たちの行なっている骨再生の研究について紹介します.


第2章
ナノ構造を制御した能動的機能を有する新しいバイオセラミックス
■著者
大阪市立大学大学院工学研究科機械物理系専攻　工学部知的材料工学科　横川　善之

■要約
細胞の「生命機能」は,細胞とそれを取り巻く微小環境の結合に関わる接着分子ならびにレセプター蛋白質やシグナル伝達系及びそれらのトポロジカルな要因により制御されている.細胞外基質ならびに人工材料の細胞の「生命機能」への相関作用を高度に制御することが可能になれば,細胞の分化,増殖などの細胞機能を高度化することが実現し,能動的機能を有する次世代のバイオセラミックス創成が期待される.「材料科学」に「生命科学」の視点を取り入れた新しいコンセプト「マテリアルゲノミックス\& インフォマティックス」の創出と体系化も期待される.材料の特異的なトポロジカル特性,電気,磁気,機械的材料特性が,細胞の接着,増殖,分化に影響を及ぼすことに関し,基礎的研究が積み重ねられている.本稿では,材料自身が具有物理的作用をする生体への刺激因子として活用した,従来にはない特性を付与した生体機能修復材料の可能性について記述する.


第2章
フェライト微粒子のバイオ分野への応用の現状と新しい応用の可能性
■著者
静岡大学　工学部　物質工学科　脇谷尚樹　他

■要約
超常磁性状態にあるフェライト微粒子は現在でもバイオ分野で幅広い用途が期待されている.本稿では,これらの研究例を踏まえて,新しいフェライト微粒子のバイオ分野への応用を提案することを目的としている.著者らは新しい応用として,
【1】バオミネラリゼーションによる生体親和性・磁性パーティクルの創製
【2】マルチフェロイック生体親和性パーティクルの創製
の提案を行いたい.


第2章
クラスターイオンビームによる医用材料の表面改質
■著者
京都大学大学院工学研究科　附属光・電子理工学教育研究センター　川下　将一　他

■要約
イオン種の中でも特にクラスターイオンを用いたビームプロセスは,わが国で世界に先駆けて提唱された技術であり,従来のモノマーイオンビームプロセスには見られない,きわめてユニークな固体表面照射効果を有します.従って,その照射効果を上手に利用すれば,従来にない医用材料の表面状態を実現できる可能性があります.そこで本稿では,最初にクラスターイオンビーム技術を概説し,続いて同技術を利用して得られる種々の材料(表面状態)を紹介することにより,同技術が医用材料の発展に寄与する可能性を探りたいと思います.


第3章
バイオミメティック環境における高分子基板表面での骨様アパタイト膜形成
■著者
九州大学大学院　歯学研究院　竹内　あかり　他

■要約
ここでは,その基本的な考え方を,いくつかの有機高分子基板に適応した事例を紹介します.


第3章
アパタイトファイバースキャフォルドの創製と骨再生への応用
■著者
明治大学理工学部　准教授　相澤　守　他

■要約
我々は硬組織再生をターゲットとし,スキャフォルド創製の観点から研究を進めています.細胞を培養するスキャフォルドに要求される性質としては,
1)生体と類似した環境を与えること(三次元培養が可能なこと)
2)細胞の活性を維持および促進すること(細胞の分化誘導)
3)生体に利用可能な力学的強度
4)ホストの組織と置換すること
が求められています.


第3章
リン酸カルシウムスキャホールド:残すデザイン,吸収させるデザイン
■著者
東北大学　大学院環境科学研究科　井奥　洪二　他

■要約
生命科学の進展により,損傷した生体組織や臓器の再生機構が明らかになりつつあります.このような状況下で,高度に機能デザインされたスキャホールド(細胞活動の足場材料)の創製が再生医療の鍵を握るといっても過言ではありません.生物由来物質は取り扱いに慎重でなければなりませんが,人工合成されるセラミックスにはこの種の不安はありません.取り扱いの簡便性や量産性も考慮すると,セラミックス単体のスキャホールドは,ひとつの理想形であると言えるでしょう.


第3章
生体活性セラミックスの生体内反応に基づく有機-無機ハイブリッドの創製
■著者
東北大学大学院環境科学研究科　助教　上高原　理暢　他

■要約
高齢者人口が増えてきている現在,骨を修復する技術はより重要になってきています.骨は,体を支える機能を有し様々な運動を可能にしているため,骨に損傷を受けると,運動機能が損なわれてしまいます.高齢者が寝たきりになってしまうきっかけのひとつに骨折などの骨の損傷が挙げられています.生体は自己修復能力を備えているため,骨の損傷が小さい場合には,自然に修復できます.しかしながら,自己修復能力を超えると,何らかの材料を埋入して治療を行う必要が生じます.現在,同じ患者の他の部位から骨を採取し欠損部に移植する自家骨移植や,他人の骨を移植する他家骨移植が広く行われています.しかしながら,自家骨移植では,採取できる量が限られしかも採取の際に健全な部分にも損傷を与えてしまいます.他家骨移植では,病原体の感染や倫理的な問題があります.


第3章
生理活性無機イオンを含有するヒドロキシアパタイトの微細構造と生体分子吸着
■著者
岡山大学大学院自然科学研究科　早川　聡　他

■要約
本稿では,ヒドロキシアパタイトの微細構造と生体分子吸着特性について紹介します.


第3章
生体に学ぶ・骨組織と置換する機能系材料
■著者
九州大学大学院歯学研究院　石川邦夫　他

■要約
本稿のテーマは骨置換材ですが,骨組織の再建材料としても骨伝導性(骨欠損部に埋入した際に繊維性結合組織の介在なしに骨組織と結合する性質)という特異な機能を示すことが知られています.


第4章
新しい細胞培養法による硬組織再生技術
■著者
産業技術総合研究所ナノテクノロジー研究部門　植村　寿公　他

■要約
本稿では,硬組織(骨や軟骨,歯)の再生に話を限ってそのいくつかを紹介します.特にわれわれの行っている擬微小重力環境を模倣したRWVバイオリアクターを用いた軟骨組織構築に関して詳しく解説します.


第4章
間葉系幹細胞を利用した生体材料に生物機能を付与する技術
■著者
産業技術総合研究所　セルエンジニアリング研究部門　組織・再生工学研究グループ　廣瀬　志弘

■要約
本稿では,我々が再生医療に用いている患者骨髄に由来する間葉系幹細胞の性質と,自己培養間葉系幹細胞を用いた再生培養骨組織の作製技術ならびにその評価技術について詳述します.


第4章
網羅的遺伝子発現解析による生体材料のin vitro評価
■著者
(独)物質・材料研究機構　 生体材料センター生命機能　制御グループ　グループリーダー　花方　信孝

■要約
筆者らは,DNAマイクロアレイを用いて,作製した生体材料上で培養した細胞の網羅的な遺伝子発現を解析することにより,材料のin vitro評価を行う手法について研究しています.本章では,筆者らが行っている骨補填材料としてのリン酸カルシウムセラミックスのin vitro評価について紹介します.


第4章
羊毛ケラチンを用いた細胞足場作製技術
■著者
大阪市立大学大学院工学研究科　化学生物系専攻　田辺　利住　他

■要約
今後,幹細胞研究が進み様々な組織・臓器の細胞を治療に使用することが可能になってくると,臨床現場の多様なニーズに応える多様な性状の細胞足場を品揃えしておくことが重要です.本稿では,我々が行ってきた羊毛タンパク質ケラチンの新しい細胞足場材料としての検討を紹介します.


第4章
ナノアパタイト複合材料(ソフトナノセラミック・プロセッシング)とその応用
■著者
国立循環器病センター研究所　先進医工学センター 生体工学部　岡田　正弘　他

■要約
アパタイトの優れた特性を長期間にわたって維持するためには容易に溶解しない高い結晶性が必要とされ,また,安定した性能を発揮させるためには基材表面に表出する結晶面の配向性制御が重要と考えられます.私たちはこれらの課題を克服するために,あらかじめ形態を制御して作製しておいた高結晶性アパタイト微粒子を高分子基材表面に結合させる手法(ソフトナノセラミック・プロセッシング)を開発しました .この手法は,次の二つの基盤技術から成り立っています.
1)形態制御したナノサイズのアパタイト単結晶体(ナノアパタイト)の作製法
2)化学結合を介してナノアパタイトを基材表面に固定化する方法
ここでは,これらの基盤技術と,ソフトナノセラミック・プロセッシングによって作製したナノアパタイト複合材料の機能について解説します。

第5章
医療機器市場の現状と課題
■著者
(独)物質・材料研究機構　特別専門職　大森　健一

■要約
少子高齢化が進行するなかで医療機器に関連する研究や開発に係わる関係者には,日本のもつ高度な潜在能力を生かしながら,より良い医療を求める国民のニーズに応えることが求められています.我が国は人材の優秀性に加えて,素材/材料や機械/電気/化学および電子/半導体等の高度な技術力と産業を擁しています.これらの高度な技術力と日本が得意とする高品質/高効率生産技術を医療機器の分野へ適用することは可能なはずです.しかしながら,医療機器産業はグローバリゼーションの遅れもあり,自動車や半導体産業に代表される他分野の輝かしい実績に比べ,医療機器製品(特に手術で使用される治療系製品)に国際競争力があるとは云い難いのが実情です.本稿では医療機器の市場における国内外の「格差」を再認識するとともに,解決すべき課題のいくつかに触れてみたいと思います.


第5章
医療現場を支える産業技術と商品群「整形外科インプラント」
■著者
スミス・アンド・ネフュー　オーソペディクス(株)　製品開発部　遠藤ミゲル雅崇

■要約
厚生労働省の2006年度国民生活基礎調査によりますと,要介護となる原因の10.5%が骨折・転倒で第4位,8.9%が関節疾患で第5位と報告されています.しかしながら,要支援の原因としては骨折・転倒が10.5%で同じく4位,関節疾患に関しては17.5%を占め,疾病の中では最も多い数字となっています.このため,高齢者の生活の質を維持する上で,変形性関節症をはじめとする関節疾患および骨折の予防が非常に重要な課題であると言われています.


第5章
ナカシマプロペラが開発する先端技術と製品群
■著者
ナカシマプロペラ株式会社メディカル事業部　藏本　孝一　他

■要約
酸化による劣化を防ぐため,滅菌方法の改善など現在様々な取り組みがなされています.我々は,主因として考えられている酸化の抑制の為に,抗酸化剤であるビタミンEを添加したUHMWPEについて研究を進めてきました.以下,関連する試験結果を紹介します.


連載
第2次世界大戦後の日本のセラミックス科学の発達に,友好と親善に尽力した世界の大学教授(32)ドイツKaiser Wilhem Institut (Now the Max Planck Institute)からアメリカPennsylvania State Universityに移り,Coloured Glasses, The Constitution of Glasses: A Dynamic Interpretationなどの著書を出版し,世界各国から共同研究者,学生が研究に参加し,一生をガラスの研究に尽力したアメリカペンシルバニア州立大学Woldemar Anatol Weyl教授
■著者
宗宮　重行쓗