細胞と成分の勾配を変化させるハイドロゲルを構築するための 3D プリントとその応用

細胞と成分の勾配を変化させるハイドロゲルを構築するための 3D プリントとその応用
寄稿者: 江南、何建康

関節内の骨軟骨単位は、関節軟骨と軟骨下骨で構成されています。骨軟骨ユニットが損傷した場合、すぐに治療しないと変形性関節症を発症する可能性があります。米国では、60歳以上の人の約37%が変形性関節症に悩まされており、年間の治療費は900億ドルにも上ります。変形性関節症の予防と治療の鍵は、軟骨の欠損を修復することです。組織工学技術は変形性関節症の患者に新たな希望をもたらします。細胞の有無にかかわらず、足場構造を使用して損傷した軟骨を修復します。天然の骨軟骨ユニットは、勾配によって変化する構造、組成、機械的強度を持っているため、3D 印刷技術は、そのような勾配ユニットを構築するための実現可能なソリューションになります。

最近、ポーランドのワルシャワ工科大学の材料科学工学部の研究者らは、3Dプリンティングを使用して、細胞と成分の勾配変化を伴うハイドロゲルを構築し、軟骨の欠損を修復しました。この研究では、研究者らはさまざまな印刷インクを混ぜることができるディスペンシングニードルを作成した。ディスペンシングニードルの2つの入口は、それぞれ透明軟骨および石灰化軟骨を印刷するための印刷インクに接続されています。プログラム制御により、一方の入口の流量は時間の経過とともに増加し、もう一方の入口の流量は時間の経過とともに減少します。層ごとに積み重ねることで、厚さの勾配に沿って組成が変化するハイドロゲル構造を構築しました。 (図1)


図1 3D印刷ハイドロゲル装置、原理および予備結果(acディスペンシングニードル概略図、d溶液混合指数図、e 3D印刷原理図、f勾配組成変化によるハイドロゲル構造)
さまざまな組成のハイドロゲルを構築するこの方法で細胞印刷を実現できますか?研究者らはまず、骨髄幹細胞と関節軟骨細胞を透明な軟骨印刷インクと混合し、次に骨髄幹細胞を石灰化した軟骨印刷インクと混合した。次に、上記の方法を使用して、さまざまな細胞を含むハイドロゲルを構築しました。その結果、印刷​​後の細胞生存率は90%以上であることが確認されました。そして、3週間の培養後も細胞は高い生存率を維持していました(図2)。


図 2 さまざまな細胞を含む 3D プリント ハイドロゲル構造 (細胞印刷設計の概略図、bd さまざまな細胞の死んだ細胞と生きている細胞の混合染色、e 細胞活動の定量化)
このハイドロゲル スキャフォールドの骨軟骨単位に対する修復効果を検証するために、研究者らはハイドロゲル スキャフォールドをラットの膝関節に移植しました。研究では、ステントを移植した後、膝関節の欠損部で軟骨の再生が明確に観察されたことが判明した。組織学的染色により、欠損部位に高度に分化した軟骨細胞の存在が確認され、ハイドロゲル構造が損傷後の軟骨の修復を促進できることが実証されました(図3)。


図 3 生体内移植後の 3D プリント ハイドロゲルの組織学的染色 (ad: 低倍率および高倍率顕微鏡下で観察された軟骨細胞の分化、ef: ハイドロゲル移植後のコラーゲン沈着および軟骨形成)

細胞と組成が勾配変化するこの 3D プリント ハイドロゲルの出現は、骨軟骨単位の修復を促進する組織工学の研究に新たなアイデアをもたらします。今後さらに研究が進めば、この材料が臨床現場で使用され、より多くの変形性関節症患者が一日も早く回復できるようになると信じています。

参考文献:
Idaszek, J.、M. Costantini、TA Karlsen、J. Jaroszewicz、C. Colosi、S. Testa、E. Fornetti、S. Bernardini、M. Seta、K. Kasarello、R. Wrzesien、S. Cannata、A. Barbetta、C. Gargioli、JE Brinchman、および W. Swieszkowski、マイクロ流体プリンティングヘッドを使用した全層軟骨欠損の再生のための細胞および材料勾配を備えたハイドロゲル構造の 3D バイオプリンティング。Biofabrication、2019 年。11(4): p. 044101。

寄稿者: 江南、何建康 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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