《先端材料》3Dプリントの新スピード！生きた細胞を含む耳の足場を22秒で印刷

出典: 高分子科学の最前線

生体材料分野の第一人者であり、アメリカ科学アカデミーの会員でもあるロバート・ランガーが組織工学の概念を提唱して以来、現代医学は壊死した部分や欠陥のある部分を置き換える組織再生を実現するために、適切な足場材料、幹細胞、成長因子を見つけることに注力してきました。ある日、人間が臓器不全の治療に臓器移植を必要としなくなり、拒絶反応なしに自分の幹細胞を使って臓器を複製できるようになることを想像してみてください。有望なアイデアであるにもかかわらず、組織再生の研究は、主に材料の問題により、まだ初期段階にあります。人体の組織や臓器は非常に複雑で繊細な空間構造を持っています。例えば、NBA選手の最も弱い部分である半月板は、特殊な表面位相構造と内部の多孔質で緩い配列を持ち、力を機械的に効果的に分散させることができます。組織再生のプロセスにおいて、使用される材料は、最大の役割を果たすために、可能な限り組織の元の構成を復元する必要があります。ほとんどの組織や臓器は不規則なため、これらの足場を準備することは材料科学者にとって大きな課題です。近年の生物3Dプリントの台頭により、生体適合性樹脂は特殊形状の足場を効果的に準備し、同時に細胞を埋め込むことができるようになりました。しかし、ステレオリソグラフィーや押し出しベースの印刷などの最も一般的な方法は、生物3Dプリントにおいて多かれ少なかれ問題を抱えています。たとえば、印刷時間が長いと、細胞の沈着や死を引き起こす可能性があります。

オリジナルリンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.20190420

研究紹介ボリューメトリックプリンティングは、今年カリフォルニア大学バークレー校のヘイデン・K・テイラー教授によって提案された新しい印刷方法で、円筒状の感光性樹脂上にあらゆる方向の2次元投影を配置し、円筒を連続的に回転させて、非常に短時間（1分未満）で特定の形態の構造を形成します。関連論文は「断層再構成による体積付加製造」というタイトルでサイエンス誌に掲載されました（サイエンス 3D プリンティングが革命を起こしました！わずか数十秒の露光で完璧な彫像が水中から出現）

光をナイフのように使い、ただ照らすだけです。

印刷する対象物が水中に現れます。

最近、オランダのユトレヒト大学のリカルド氏の研究チームは、「立体印刷」技術を初めて使用して、生物学的3D印刷を実現しました。わずか 22 秒で、はい、その通りです、細胞を含む耳の足場を形成できます (図 1)。「数秒以内の複雑な生体組織構造の体積バイオプリンティング」と題された関連論文が、Advanced Materials に掲載されました。

図 1. A) と B) は、回転する円筒形の容器に感光性樹脂と細胞を充填し、円筒形容器にさまざまな角度で投影して細胞を含んだ穂を作成する体積印刷の概略図です (C)。
このような 3D 印刷システムを構築するのは非常に簡単で、一般的な感光性生体適合性樹脂 (メタクリロイルクロリド) と適切な光増感剤のみが必要です。プロセス全体が空間選択的な架橋であるため、光増感剤の濃度と吸光度は非常に重要であり、容器の背面の透過率は 37% 以上に維持する必要があります。従来の生物学的 3D 印刷方法 (押し出しベースの印刷とデジタル光処理) と比較して、この方法は時間を大幅に短縮します (数時間から数十秒)。それだけでなく、モデルのサイズを 2 倍、3 倍にしても、印刷時間は同じままです。さらに驚くべきことは、このような高速印刷では印刷精度が失われないだけでなく、表面の滑らかさが他の 2 つの方法よりもはるかに優れていることです。

図 2. A) 光開始剤存在下での光透過の模式図。B) 3 つの印刷方法を使用して人間の耳のモデルを印刷するのにかかる時間の比較とモデルの表面形態の比較 (C)
研究チームは耳に加え、海綿骨モデルにも挑戦し、骨芽細胞（O-MSC 赤）をスキャフォールド内に埋め込むことに成功し、その活性を 85% 維持し、極めて強力な代謝能力を実証しました。次に、血管新生を相乗的に促進するために、内皮コロニー形成細胞 (ECFC、緑) と間葉系間質細胞 (P-MSC、黄色) が追加されました。このアプローチは、組織再生の分野で大きな可能性を示しています。要約すると、この新しい生物学的 3D 印刷方法は、まさに「より高速で、より現実的で、より安全」です。

図3. i) 印刷され細胞が埋め込まれた7日間の海綿骨モデル ii) モデルのCTスキャン

内皮コロニー形成細胞（緑色のECFC）と間葉系間質細胞（黄色のP-MSC）を加えると、相乗的に血管新生が促進されます。

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