コラーゲンを3Dプリントして人間の心臓組織を作る

コラーゲンを3Dプリントして人間の心臓組織を作る
寄稿者: 陳鵬宇、何建康

はじめに:コラーゲンは人体の細胞外マトリックスの主成分であり、優れた生物学的特性を持っていますが、その強度の限界により、既存の 3D プリント方法を使用して複雑な構造の組織や臓器を準備することは困難です。

カーネギーメロン大学の研究者らは、毛細血管から臓器の鱗片まで人間の心臓部分を正確に製造できる、自由可逆埋め込み懸濁ハイドロゲル(FRESH)を印刷する方法を開発した。この方法を使用すると、灌流可能なマルチスケールの血管構造と三葉弁構造を 20 ミクロンの精度で製造できます。結果は、作製された心臓が患者の解剖学的構造を正確に再現でき、印刷された心室が同期した収縮特性を示したことを示しました。研究結果はサイエンス誌に掲載された。


図1 FRESH印刷プロセス 図1は印刷プロセスの原理を示しています。コラーゲンの強度は非常に低いため、複雑な三次元構造を作成するために、ゼラチン粒子を使用してコラーゲン構造をサポートします。研究者はゼラチン粒子の構造を最適化し、より均一なゼラチンマイクロスフィアを使用すると、製造精度と構造品質が向上することを発見しました。最も細いコラーゲン繊維は20umに達します。印刷後、37度に加熱するとコラーゲンがゼラチン化し、ゼラチンが液体になり、最終的に期待どおりのコラーゲンの立体構造が得られます。


図 2 コラーゲンを使用して作成された冠動脈モデル 研究者は、成熟したプロセス方法に基づいて、図 2 に示すようにさまざまな心臓構造を製造しました。まず、冠動脈モデルを印刷し、動脈内にコラーゲンを含むC2C12細胞を充填しました。静的/動的条件下で5日間培養した後、動的培養下の細胞の生存率は静的培養下よりも大幅に高いことがわかり、製造された動脈構造の栄養輸送機能が検証されました。さらに、研究者らは直径28mmの3弁構造の心臓弁も製造した。マイクロCT検査により、製造された構造は設計構造と非常によく一致していることが判明した。弁は灌流実験にかけられ、その結果、逆流率は15%未満、開口面積は19.5%に達し、耐圧は40mmHgに達し、優れた性能を示した。心臓構造の製造を実現するために、研究者らはMRIデータを使用して、人体の実際の解剖学的構造に非常によく一致する灌流可能なマルチスケール血管ネットワークを含む解剖学的構造を持つ部分的な心臓構造を製造した。


図3 MRIデータに基づいて製造された新生児の心臓。完全な心臓に対してMRIスキャンを実行して3次元データを取得し、印刷プロセス全体の経路と充填方法を最適化することで、研究者は最終的に55mmX37mmのサイズの完全な新生児の心臓を製造することに成功しました。

この研究では、複雑な三次元構造の製造を実現できる、高い信頼性と印刷精度を備えた画期的なコラーゲン印刷方法を提案しました。完全な機能臓器の生産にはまだ長い道のりがありますが、この研究では、心臓の構造、強度、生物学的特性を完全にシミュレートできる製造方法を提案することに成功し、生物学的3Dプリンティングの分野に重要な貢献をしました。

参考文献:
Lee, A.; Hudson, AR; Shiwarski, DJ; Tashman, JW; Hinton, TJ; Yerneni, S.; Bliley, JM; Campbell, PG; Feinberg, AW、「ヒトの心臓の構成要素を再構築するためのコラーゲンの3Dバイオプリンティング」。Science 2019、365(6452)、482-+。

寄稿者: 陳鵬宇 何建康 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

血管、生物学

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