Review生体分子由来バイオマテリアル

生体分子は、微生物、植物、動物を含むすべての生命体にとって、そのユニークな構造と機能により、再現性、持続性および死亡率に関わる基本的なものである。 アミノ酸、ペプチド、タンパク質、核酸塩基、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、核酸（DNA/RNA）、単糖類、オリゴ糖類、多糖類、脂質などのモノマー、オリゴマー、高分子は、生命の主要な構成単位である , , ]. 生命の構成要素は、数十億年の進化の過程で現在の分子構造に変化し、現在のような高度な分子認識特性を獲得したと考えられている。 このような生体分子の分子認識特性は、生物の構造や機能を維持するために必要不可欠なものです。 生体分子の魅力的な特性のひとつは、階層的な組織化を経て、剛性および柔軟性のある生体システムや材料を作り出すことができることです。 例えば、コラーゲン、ケラチン、エラスチンなどの生体高分子は機能的な集合体を形成し、ゼラチンは堅牢で消費可能なゲルを形成し、絹は高強度の繊維（機能的アミロイド）とゲルを構成し、いくつかのペプチドとタンパク質は病気を引き起こす毒性のあるアミロイド構造を作ることができます。 このような生体分子の分子認識による分子間・分子内相互作用と組織化は、生体材料の形成に極めて重要である。 このような生体分子とその生体材料の模範的な力は、材料化学者や生物学者にとって、新しい生体材料フレームワークを開発するためのインスピレーションの源となってきた。 生体分子の興味深い化学的、生物学的、機械的特性は、直接加工したり、合成材料と組み合わせたりして、新しい生体材料を製造する際に大きな役割を果たします。 あらゆる種類の病気や外傷に起因する不一致は、生命機械システム内の生体分子間のクロストークを乱す可能性があります。 組織や臓器の構造的な変形や損傷は、人間の数え切れないほどの障害や病気を引き起こす可能性がある。 また、人体は、生理的な条件下で損傷を受けると、ほとんどの臓器を自己再生することができないという大きな制約がある。 このような背景から、生体分子由来の材料を永久インプラントや再生代替品として使用することが、生体医科学分野で強く求められています。 生体分子を生体材料に変換することで、生体適合性が保証され、人体の生体内環境を模倣して治癒プロセスを引き起こすことができる。 このような生体分子由来の材料、または生体分子と合成材料の組み合わせによる生体医療用途の材料は、生体分子由来バイオマテリアルと呼ばれています

生体分子由来バイオマテリアルは、単独または複合システムの一部として、生体システムの構成要素と相互作用するために使用され、ヒトまたは獣医学において診断または治療効果を生み出すことが予想される多様な形態に設計されることが可能です。 様々な生物医学的応用に必要な生体材料は、天然材料から得られるものと合成材料から得られるものがありますが、化学的、生物学的、機械的特性を高めることができるため、2種類の材料のハイブリッドが非常に一般的になっています。 生体材料は、分子、ナノ、マイクロ、マクロといった大きなスケールの階層的な構造を持っています。 生体材料に固有の階層的な構造は、人体の様々な組織や器官における機能に影響を与えます。 生体分子由来の材料系は、その固有の生物学的性質により、生体適合性、生体分子認識、生体刺激への応答性、複雑で異質な生化学的環境での適応性など、数え切れないほどの利点を備えている。 しかし、合成材料の生体材料への応用は、機械的強度、剛性、耐久性などの優れた材料特性を示すにもかかわらず、生体適合性に劣り、人体から材料が拒絶されてしまうという問題がある。 このような生体材料に対する拒絶反応は、生体材料の開発・利用における大きな問題であり、合成材料に生体分子を適切に組み込むことで、優れた構造・機能・生体適合性を有するハイブリッド材料を生み出すことができる可能性がある。 実際、生体材料に由来する道具やインプラントは、古くは臨床の場で広く使われていた。 例えば、珊瑚や木材は歯のインプラントとして、絹糸は縫合糸として使用されていた。 しかし、古代の生体材料の使用には、現代の生体材料の設計や応用に見られるような洗練された設計や精密工学が欠けていたのである。 セルロース、ケラチン、コラーゲン、シルクは、魅力的な材料特性を備えた入手しやすい生物学的原材料であり、生体材料の加工や製造に必要な好ましい化学的、生物学的、機械的特性を備えているため、生体材料研究の重要な部分を占めています（図 1）

過去数十年間、生物医学研究の進歩により、生体分子由来の生体材料を設計および製造することが可能になりました。 生体分子の溶液処理および修飾、または他の天然および合成材料との統合により、多様な化学的、物理的、機械的、および生体模倣的特性が同化し、臨床的に反応する生体材料システムおよびデバイスが生成されるようになりました。 20世紀は、生体医学や医療技術への応用が期待される人工機能性材料の開発において、目覚しい技術革新を遂げた。 臨床医学における人工材料の活用に注目が集まる中、その生体模倣特性を向上させるために生体分子を組み込む必要性が強調されています（図2）。 このような背景から、生体分子と合成物質の融合により得られるハイブリッドバイオマテリアルの構造・機能を最適化することが、治療効果を高めるために必要不可欠となっています。 実際、生体分子と合成材料を融合させることで、生体機能と材料特性の2つの機能を併せ持つ生体材料が誕生します。 最近の生体材料設計の発展により、合成材料やハイブリッド材料に無数の化学的・生物学的機能を組み込むことが可能となり、細胞や組織環境との機能的関連性や生体適合性が向上しています。 生物医学の科学と技術の進歩は、in vitro および in vivo の環境に関する膨大な知識の蓄積をもたらし、研究者が組織や臓器の細胞外および細胞間の環境を模倣する革新的な戦略を通じて、新しい生体材料を開発するために、経験的アプローチよりも設計に忠実な方法を採用できるようになりました（図3）。 生体材料の設計と製造には、通常、適切な天然材料または合成材料を選択し、生体適合性のある化学的・機械的変換を利用して、選択した材料を適切な力学的特性を持つ必要な形式に加工することが含まれます。 生体材料の製造は、通常、以下の基準を満たす必要がある。 i) 設計全体が、必要な接着と細胞増殖を促進し、良好な細胞生存率に加え、高い生体適合性を有すること。 iii) 活性種の侵入や外への移動を防ぐ、iv) 炎症反応、催奇形性またはいかなる健康への悪影響も誘発すべきではない、v) 長期間の化学的および生物学的血漿安定性を有する、vi) 優れた必要な分解速度論を示す、および vii) in vivo 特性を容易にする、などです。

生体分子由来のバイオマテリアルの成功は、製造されたシステムまたはデバイス内で生体分子の構造的および機能的完全性を維持し、その後、それらを効果的に生物医学的に使用することに大きく依存しています。 生体分子由来の生体材料が細胞や組織と相互作用し、その結果生じる反応が組織工学の三位一体であり、生体分子が細胞の構造構成要素、材料の機能的結合体として相乗的に作用し、自然の生体システムの構造-機能関係を模倣する。 そこで、生体分子の構造-機能相関に関する予備知識、例えば、タンパク質の一次、二次、三次、四次構造に関する情報は、特定の生体材料の製造に効果的に使用するために重要である。 生体分子は、異なる化学的および物理的特性を示し、環境からの刺激に明確に反応する。したがって、溶液、固体、および界面における生体分子の構造と化学を理解することは非常に重要である。 生体内では、生体分子がこれまでにない分子認識・相互作用能力を発揮し、細胞の挙動や活性を制御しています。 生体材料設計のフレームワークに生体分子を組み込むことで、傷害や疾病の状態にある細胞や生体内環境を調査することができます。 生体分子を組み込むことで、生体適合性を高め、組織や臓器と応答的に接触することで生体内相互作用を最適化することができます。 しかし、生体分子特有の複雑な構造と生物学的由来は、生体の望ましくない生体反応を引き起こす可能性があり、臨床応用の妨げとなる場合があります。 そのため、化学的・生物学的不安定性、免疫反応や自然拒絶反応、費用対効果、設計の複雑さ、その他の規制に関する問題に対処する必要がある。 さらに、潜在的なアプリケーションを持つ新しい生体材料を製造するには、シンプルで費用対効果の高い、最小限の構造-機能関係研究に基づく設計を通じて、生体材料と合成材料の特性を相乗的に統合することが必要です。 さらに、優れた化学組成、高次の階層的組織、および生体模倣的特徴を生体材料で達成するために、生体分子と合成材料系を統合する必要性がこれまで以上に明らかになっています。 生体分子由来のバイオマテリアルの設計・製造は、材料の種類や用途に応じて、共有結合と非共有結合の両方の相互作用によって導かれる。 自然界では、生体分子の3次元（3D）集合体は、主にモノマーの共有結合を介した配列に依存しています。 その後、動的な非共有結合相互作用による分子集合プロセスを通じて、生体分子システムのさまざまなレベルの複雑さと応答機能を持つ高次構造が、定義された構造内に組み立てられる。 このため、生体分子の設計や製造においては、共有結合性修飾による構造硬直性と、多成分集合プロセスから得られる柔軟性や機能関連性を適切にブレンドする必要があります。 このような制約を克服するために、形状記憶材料や刺激応答性材料、マイクロアレイ、マイクロ・ナノ加工、リソグラフィー技術などの高度でハイスループットなツールが開発され、形状的にも機能的にも明確に定義されたスマートバイオマテリアルを生成することが可能になりました。 バイオエンジニアリングは、天然の生体分子機構を改変し、天然および変性生体高分子を合成するための高度で先進的な研究分野である。 いくつかの天然および修飾された微生物は、いくつかの生体高分子ポリエステルおよびポリアミドを合成するための生きた生体機械または工場として機能しています。 例えば、グラム陽性菌のバチルス種やグラム陰性菌のフソバクテリウム・ヌクレアタムは、ポリグルタミン酸合成酵素の存在下でポリグルタミン酸を合成するために使用されている。 同様に、ポリエステルであるポリヒドロキシアルコン酸は、いくつかの細菌や古細菌によって合成される。 高処理技術や遺伝子工学に加え、次世代シーケンサーやイメージング技術により、生体材料との相互作用に伴う細胞の挙動を調べる特性評価ツールとしての幅が広がっています。 その中で、pH、温度、光などの外部刺激に反応して異なる幾何学的コンフォメーションをとることができる形状記憶材料や刺激応答性材料は特に興味深いものである。 これらの材料は、最初は一時的な形状をとり、その後、外部刺激の変化に応じて異なる形状や幾何学的構造に変化させることができる。 これらの材料の形状変化機能は、生体材料の移植が温度刺激による変化と関連しており、移植後に材料がより生体模倣的な構造に移行する低侵襲手術や腹腔鏡手術に有益である。 マイクロチップ、マイクロニードル、バイオセンサーを作成するための生体分子の微細加工は、高スループットバイオアッセイ、バイオセンシング、細胞培養と分化、送達と治療を含むin vitroおよびin vivoアプリケーションに有用である。 これらの技術は、工学、材料科学、化学、バイオテクノロジー、医学の分野を網羅する学際的なアプローチを組み合わせることで、バイオマテリアル分野を充実させてきました。 次世代のバイオマテリアルデザインは、特に、構造、特性、機能の面で、より精度の高い制御された精密な材料設計に依存しており、それは生体分子由来材料に強く依存している。 本総説では、バイオマテリアルの作製に用いられる生体分子の種類に基づき、さまざまなセクションで構成されており、その応用に関する特別セクションも含まれています。 本書では、診断、抗菌、抗がん治療、再生医療、ドラッグデリバリー、組織工学など、さまざまな生物医学的応用が期待される生体分子由来の生体材料の代表的な例を紹介する。 本講演では、生体分子が特定の機能を超えて重要な役割を果たす生体材料の現実的な設計と応用に焦点を当てます。 本講演では、タンパク質、核酸、糖質、脂質などの様々な生体高分子を用いたスマートバイオマテリアルの設計戦略について議論する。 さらに、ペプチド、ペプチドミメティクス、オリゴヌクレオチド、オリゴ糖、脂肪酸、アミノ酸、ヌクレオチド、糖、およびそれらの組み合わせなどの生体高分子のオリゴマーおよび基本構成ブロック（モノマー）が、天然システムを模倣する生体材料の製造に使用される、最小主義または還元主義アプローチについて説明します。 本論では、生体高分子由来のバイオマテリアルを、タンパク質、核酸、炭水化物、脂質由来のバイオマテリアルの各セクションで体系的に説明する。 各セクションでは、生体高分子のオリゴマーや基本構成単位（モノマー）を用いた生体材料の設計・作製への還元的アプローチについて議論する。 本論文の主な目的は、生体分子由来のバイオマテリアルの魅力的な認識を提供するために、文献から重要なレポートを紹介することである。 さらに、2種類以上の生体分子と合成分子や材料を用いて生体材料を設計するクロスオーバーの例もあり、これらはハイブリッド生体材料のセクションで取り上げている。 本講演では、各生物分子タイプの適切かつ重要な事例を取り上げ、生体分子由来のバイオマテリアルの設計、製造、応用に関する詳細かつ批判的な議論を展開します。 最後に、結論と展望のセクションで、この新しい分野の現状と将来の展望を提示します。 また、各章では、選択した一次文献からのデータを示すとともに、生体分子由来のバイオマテリアルの天然資源量、有用性、実用化、応用を考慮して、必要な図解と将来展望を示した

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