Biomaterials: A Basic Introduction（生体材料：基礎入門）

引用

Chen, Q., & Thouas, G. (2015). Biomaterials: A Basic Introduction. CRC Press.

章の要約

本書は約740ページで、21章が3部に分かれている。序文によれば、本書は Qizhi Chen がバイオマテリアルを教える際の講義ノートから生まれたもので、その構成は独特である。第I部（第1～11章、約400ページ）が材料を、第II部（第12～19章）が医学（解剖学、疾患、細胞生物学、組織学、免疫応答）を教え、第III部（第20～21章）が評価と規制を扱う。各章は通常、学習目標で始まり、章のハイライト、授業中の簡単な質問、問題と演習、参考文献で終わる。多くの章には推奨される活動と、最新の研究を扱う「Advanced Topic」が加えられ、7つの章には実験実習がある。

第I部：バイオマテリアル科学

第1章：バイオマテリアルの科学と工学

材料科学と材料工学の違い、材料における構造の階層、材料の4つの分類、バイオマテリアル・生体医用材料・生物材料の定義、そして生体適合性の概念を示す。

第2–3章：毒性と腐食／バイオマテリアルの力学的性質

第2章は、体内の元素、微量元素の生物学的役割と毒性、医療用合金のための金属元素の選び方、体内環境での金属の腐食、インプラントの毒性を最小限に抑える方法を扱う。実験実習では疑似体液中で腐食電位を測定する。第3章は、硬さ、弾性、破壊、臨床医が使う用語など、インプラントにとって重要な力学的性質を導入し、整形外科用インプラントに不可欠な性質で締めくくる。

第4–5章：整形外科用インプラントの金属バイオマテリアル／金属バイオマテリアル：その他

第4章は金属バイオマテリアルの発展をたどり、ステンレス鋼、コバルト基合金、チタン合金を比較する。第5章は歯科材料、ニッケル・チタン形状記憶合金、その他の臨床用金属、そして新しいマグネシウム合金を扱う。

第6–7章：生体不活性セラミックス／生体活性・生体吸収性セラミックス

第6章はアルミナとジルコニア、2種類の関節、歯科用セラミックスを扱い、Advanced Topic として、人工股関節の簡単な歴史を含む人工関節全置換術を取り上げる。第7章はリン酸カルシウムとハイドロキシアパタイト、生体活性ガラスとガラスセラミックス、骨結合のメカニズム、生分解性セラミックスを扱い、骨組織工学のためのセラミックス足場で終わる。

第8–10章：高分子バイオマテリアル：基礎／生体不活性高分子／生体吸収性高分子

第8章は高分子の基本概念と高分子バイオマテリアルの概観を導入し、軟組織工学のための足場を Advanced Topic とする。第9章は医療機器に使われる安定な高分子、すなわちポリオレフィン、PET、アクリル系高分子、フッ素系高分子、シリコーン、ポリウレタンを概観する。第10章は高分子の生分解を説明し、分解性ポリエステル（PGA、PLA、PCL、PHA、ポリ（ポリオールセバケート））、ポリエチレングリコール、ポリアミド、表面浸食型高分子、そしてレシリン、シルク、グルテンなどの生物由来高分子を扱う。

第11章：複合バイオマテリアル

天然の複合材料としての骨を例に複合材料を導入し、続いて歯科用コンポジットと人工骨を扱う。実験実習は動物の骨の力学試験である。

第II部：医学

第12章：医学と医科学

医科学を材料科学と対比し、第II部の学習目標を示す短い橋渡しの章である。

第13–15章：人体の解剖と疾患I：外皮系、骨格系、筋系、神経系、内分泌系／II：心臓血管系／III：呼吸器系、リンパ系、消化器系、泌尿器系、生殖器系

バイオマテリアルが治療に役立ちうる疾患に焦点を当てた、器官系ごとの概観である。第13章は骨組織工学におけるバイオマテリアルの課題で終わる。第14章は心臓血管系に1章を充て、心血管疾患、圧容積ループ、現在の治療法、バイオマテリアルを用いた代替治療、人工血管を扱う。

第16章：細胞と生体分子

細胞の生化学、細胞の構造、膜輸送、増殖、分化と幹細胞を扱い、続いて心疾患に対する細胞治療と免疫拒絶への対策を Advanced Topic として取り上げる。

第17–18章：組織学と組織の性質I：上皮組織、神経組織、筋組織／II：結合組織

主な組織の種類を、その力学的挙動に注目して記述する。組織タンパク質の性質、固有結合組織（皮膚、腱、靭帯）、構造タンパク質、軟骨、骨である。

第19章：免疫系とバイオマテリアルに対する生体の反応

材料と生物学を結びつける章で、免疫系、損傷に対する組織の反応、インプラントに対する生体の反応を扱う。

第III部：評価と規制

第20–21章：バイオマテリアルの評価／医療機器の規制

第20章は規格、毒性評価、細胞毒性試験、動物での評価を扱い、ラットで試験された心臓パッチのケーススタディを含む。第21章は最も短い章で、規制と規格を区別し、医療機器、前臨床試験、臨床試験、機器の開発、キャリアの可能性を概説する。

主要概念

第I部：材料

• 生体適合性：材料が許容できない害を与えずに体内で機能する能力で、本書を貫く考え方である。
• 腐食と毒性：金属インプラントが体液中でどのように劣化するか、そして合金元素がなぜその生物学的影響を考慮して選ばれるか。
• 生体不活性・生体活性・生体吸収性：インプラント材料の3つのふるまいで、セラミックスと高分子の両方に当てはめられる。
• 力学的な整合：置き換える組織に合った硬さ、弾性、破壊への抵抗を持つインプラント材料を選ぶこと。

第II部：医学

• 設計課題としての疾患：器官系は、インプラントや医療機器が必要とされる疾患を通して提示される。
• 細胞の増殖と分化：幹細胞治療や細胞を用いた治療の背後にある細胞の過程。
• 組織の力学：材料が合わせようとする、結合組織の構造タンパク質と性質。
• 宿主反応：埋め込み後に起こる免疫反応と組織反応。

第III部：評価と規制

• 規格と試験：安全性を確かめるための毒性試験、細胞毒性試験、動物試験。
• 規制と規格の違い：技術的な規格とは区別される医療機器の法的要件で、前臨床試験と臨床試験につながる。

批判的分析

長所

• 1冊で2つの読者層に応える。 序文も出版社も、本書は材料系の学生には不足している生物学と医学を、医学・生物学系の学生には不足している材料科学を与えると述べている。解剖学、疾患、細胞生物学、組織学を扱う第II部は約240ページあり、生物学的な背景は前提とされるのではなく教えられる。
• 材料の分類ごとの詳しい解説。 第I部は、整形外科用金属、その他の金属、不活性セラミックスと生体活性セラミックスにそれぞれ章を充て、さらに高分子に3章を割いて、具体的な材料（316Lステンレス鋼、Ti-6Al-4V、ニッケル・チタン、マグネシウム合金、ハイドロキシアパタイト、生体活性ガラス、PLAとPGA、ポリウレタン）を挙げている。
• 充実した教育上の仕掛け。 学習目標、ハイライト、授業中の質問、問題、活動、7つの実験実習、Advanced Topic により、教員は本書を講義にも実習にも使うことができる。出版社のページに載った教員の評価は、本書を包括的で読みやすく、論理的に構成されていると評している。

短所

• 長さと順序。 約740ページは基礎的な入門書としては長く、材料を先に扱う構成のため、第II部の生物学は材料についての400ページのあとにようやく登場する。生物学の知識がない学生は、第16～19章を先に読む必要があるかもしれない。
• 規制の扱いが薄い。 規制の章は約8ページで、特定の国や地域について詳しく述べるのではなく、大まかな概観にとどまる。
• 古さ。 本書は2014年末に刊行され、その後新版が出ていないため、組織工学、細胞治療、マグネシウム合金に関する Advanced Topic は当時の研究を反映している。
• 著者が示す水準。 序文は本書の対象を自然科学または工学の2年生とし、出版社は北米の学部上級生としている。1年生向けの教科書ではない。

コースにおける位置づけ

このコースの入門書のうち、Chen と Thouas の本と、Temenoff と Mikos の Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science は、いずれも材料と生物学を一緒に教えることを目指している。Temenoff と Mikos が両者を交互に織り込むのに対し、Chen と Thouas は2つの大きな部に分け、解剖学と疾患にずっと多くの紙幅を割いている。学生はどちらかを主教材にし、もう一方を別の角度からの説明として使うことができる。Agrawal らの Introduction to Biomaterials はより短い授業用教科書で、材料のキャラクタリゼーション、表面改質、滅菌、ドラッグデリバリー、医療機器を加えている。

このリストにある Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine の2つの版、すなわち Ratner、Hoffman、Schoen、Lemons が編集した2004年版と、Wagner らが編集した2020年版は、多数の著者による大部の参考書である。Chen と Thouas の序文自身も、Ratner らの本をこの分野の多著者教科書として挙げている。Chen と Thouas を読んだあと、個々のテーマを深めるためにこれらを参照するとよい。Jonathan Black の Biological Performance of Materials は生体適合性についての大学院レベルのモノグラフで、第2、19、20章の内容をさらに発展させる。

本書の使い方

本書は、生体医工学、材料科学、生物学を学ぶ2年生や、材料の背景知識を求める医学生に向いている。序文は、自然科学や工学のどの分野の2年生でも読めるように本書を位置づけている。材料科学や解剖学の予備知識は必要なく、それぞれ該当する部で導入されるが、1年次の理科の知識は前提とされている。

実践的な進め方：

• 材料系の学生： 第1章を読んだあと、生物学が初めての内容になるため、第II部（第12～19章）を早めに、または第I部と並行して読み、そのうえで第2～11章を授業のペースに合わせて進める。
• 生物学・医学系の学生： 第1～3章は必須で、続いて主要な材料の分類を扱う第4、7、8、10章を読む。第II部は第19章を除いて復習としてざっと目を通せばよい。
• すべての学生： 第19～21章は、インプラントに対する生体の反応から試験と規制までをつなぎ、本書全体をまとめる。

復習には章のハイライトを、理解の確認には授業中の質問を使うとよい。実験設備があれば、腐食の測定から骨の試験までの7つの実験実習が、理論を実験に結びつける。Advanced Topic は任意の読み物として扱い、本書の刊行時期を考えて最近の総説で情報を更新すること。第21章は、関係する規制当局の最新のガイダンスで補うこと。