インド工科大学: 架橋剤フリーのシルクゼラチンバイオインクを使用した軟骨組織工学のための 3D バイオプリンティング

寄稿者: ハン・カン、ヘ・ジェンカン

軟骨は人体において高度に分化した結合組織です。血管やリンパ系が欠如しており、細胞密度が低いため、自己再生能力は限られています。したがって、この組織への損傷は体内に何年も残り、軟骨のさらなる変性を引き起こし、最終的には関節機能を損ない生活の質を低下させる変形性関節症などの変性疾患につながる可能性があります。

現在の治療戦略には、マイクロフラクチャー、モザイク形成術、骨軟骨移植、および自家軟骨移植（ACI）が含まれます。これらの方法により、欠損部の修復効果は大幅に向上しましたが、多くの場合、機能の低い軟骨の形成につながり、組織の変性と変形性関節症の発症を遅らせるだけであり、長期的な臨床的解決策にはなりません。したがって、潜在的な代替治療法が緊急に必要とされています。

最近、インド工科大学の研究者らが、軟骨再生のための架橋剤フリーのシルクゼラチンバイオインク配合を開発しました。このインクは、2種類のシルクフィブロイン（桑とヒマ）とゼラチンの混合物です。2種類のシルクフィブロインを混ぜると、シルクポリマーが自己ゲル化し始め、ゼラチンがこのゲルシルクマトリックスに絡み合って粘弾性インクを形成します。これは生物学的3Dプリントにとって最適な選択肢です。さらに、豚の初代軟骨細胞をインクに封入してバイオインクを作成し、その印刷性、印刷忠実度、生物学、機能評価を研究しました（図1）。

図 1 (A) バイオインクの配合、(B) バイオポリマーの絡み合いと相互作用、(C) デジタルモデリング、(D) 3D バイオプリンティングと細胞充填構造の成熟。研究者らはまず、グリッド状の構造と人間の耳のような形の解剖学的構造を印刷することで、インクの高い忠実度、優れた印刷性、寸法安定性を実証しました。大まかな形態学的分析に基づくと、構造体は構造的完全性を保持していました（図2A-B）。印刷されたグリッド構造の寸法は 7.25 × 7.25 × 3 mm3 で、フィラメント間の間隔は 0.75 mm、層間の増分は 0.25 mm でした。人間の耳に似た解剖学的構造を印刷する場合、サイズが大きいにもかかわらず（33×20×12mm3）、印刷された構造は安定しており、印刷プロセス中に形状が崩れたり崩れたりすることはありませんでした。インクの高い忠実度と適切な粘度は、より大きな解剖学的構造を印刷する能力があることを示しています。

図 2 インクの印刷忠実度。(A) グリッド状構造の印刷 (i) ノズルからのインクの押し出し、(ii) 最初の数層、(iii) グリッド状パターンの形成。(B) 人間の解剖学的耳の製作 (i) CAD モデルと生成された STL ファイル、(ii) スライサーを使用して生成された G コード、(iii) 印刷プロセス、(iv) 印刷された耳の構造。開発されたバイオインク製剤が細胞適合性があることを証明するために、バイオプリント構造物に封入された軟骨細胞の生存率をカルセイン-AM染色を使用して評価しました。図 3A は 1 日目と 14 日目の軟骨細胞の生存を示しており、構造体は典型的な球状の形態と良好な活性を持つ軟骨細胞の均一な分布を示しています。カルセイン AM 染色を補完する図 3B は、DAPI 染色された凍結切片内の細胞の存在を示しており、細胞は均等に分布し、グリッド状の構造に配列されています。さらに、H&E 染色により、構造体全体にわたって細胞の付着と均一な存在が示されました。

図 3 免疫蛍光染色 (A) カルセイン AM 染色画像、(B) DAPI 標識された明るい青色の細胞、および (C) 構築物組織工学スキャフォールドの H&E 染色切片要約すると、軟骨組織工学におけるシルクゼラチンポリマーブレンドバイオインクの潜在的な応用は高い実現可能性を示しており、構造、機械的性質、生体適合性のニーズに応じてバイオプリントをカスタマイズできます。

参考文献:
Singh, YP; Bandyopadhyay, A.; Mandal, BB、「軟骨組織工学のための架橋剤フリーシルクゼラチンバイオインクを使用した3Dバイオプリンティング」ACS Appl Mater Interfaces 2019、11 (37)、33684-33696。

寄稿者: ハン・カン、ヘ・ジェンカン寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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