上海シリコン研究所: 3D プリントを使用してホットドッグの生体模倣バイオマテリアルを準備

出典：上海珪酸塩研究所

自然界には複雑な多層構造と優れた機能を持つ物質が数多く存在します。生物の構造と機能をシミュレートすることは、組織の修復にとって非常に重要です。従来の調製技術では、生体材料の生体模倣多段階調製を実現することは困難です。先進技術である 3D プリントは、生体模倣生体材料の研究に新しい方法を提供することができます。大きな骨欠損の修復は、現代の臨床医学において常に課題となっています。現在、大きな骨欠損の修復には、多孔質バイオスキャフォールドの移植が一般的に使用されています。骨組織は多層構造になっているため、栄養素の輸送と貯蔵の役割を果たします。しかし、従来の 3D プリントバイオスキャフォールドは、固体要素を層ごとに積み重ねて作られています。スキャフォールドは多層構造を持たず、多孔度は比較的低く、細孔は連続したチャネル構造を形成できないため、スキャフォールド内の細胞負荷と骨形成が制限されます。 3D プリントされた足場に多層構造を与える方法は、直接書き込み 3D プリント技術にとって特に重要です。

最近、中国科学院上海陶磁研究所の呉成鉄研究員と張江研究員が率いる研究チームが、3Dプリントバイオニック生体材料の研究で新たな進歩を遂げた。ホットドッグのバンズソーセージの構造にヒントを得て、チームは 3D プリント技術と双方向氷テンプレート技術を組み合わせました。ホットドッグのような構造を持つ3Dプリント足場が準備されました。この足場は、中空管の3次元足場を本体として、その中に連結された層状構造のセラミックロッドが含まれており、3次元足場の多段階構造を実現し、足場の比表面積を大幅に増加させ、足場内部の細胞接着を改善します。

3Dプリントされたホットドッグ構造の足場と形態の準備ホットドッグ構造内のハムソーセージは栄養を提供することができ、足場の内部コンポーネントのホットドッグ構造バイオセラミックロッドは栄養因子の負荷を促進し、それによって細胞分化と骨形成の効率を向上させます。したがって、3Dプリントされたブラケットは、構造から機能までホットドッグのシミュレーションを実現し、ホットドッグバイオニクスの概念を具体化します。この多層構造の足場は、優れた薬剤およびタンパク質の充填および放出特性を備えており、細胞接着を促進し、骨形成を大幅に促進することもできます。関連研究はAdvanced Science（IF: 15.8）（Advanced Science、2019、DOI: 10.1002/advs.201901146）に受理されました（論文の第一著者は上海陶磁器研究所の博士課程学生のLi Tian氏、指導教員はWu Chengtie研究員です）。

3D プリントされた生体模倣ホットドッグスキャフォールドの生体内生物学的分析。 (a、g) ブランクグループ (b、h) 中空チューブスキャフォールド (c、i) ホットドッグスキャフォールド (d、j) 薬剤を充填したホットドッグスキャフォールド (f) ホットドッグスキャフォールドのマクロチューブに大量の新しい骨が現れただけでなく、スキャフォールドのミクロな層状構造も大量の新しい骨を誘発しており、バイオニックホットドッグスキャフォールドが優れた骨修復能力を持っていることを示しています。
さらに、研究チームは最近、3D プリントを使用して、ブドウの種子の機能を模倣した生体活性足場を準備しました。黒色腫は最も深刻な皮膚がんの一つであり、近年その発生率が増加しています。天然のブドウ種子抽出物には、フラボノイドとオリゴマープロアントシアニジン（OPC）が豊富に含まれています。研究チームはブドウ種子抽出物にヒントを得て、黒色腫の治療と皮膚の傷の治癒のための生体活性足場材料として、光熱剤としてOPCを使用したハイドロゲル足場を作製しました。 OPC を含むハイドロゲルスキャフォールドは、近赤外レーザー照射下で制御可能な光熱特性、レオロジー特性、機械特性を示します。 OPC ハイドロゲルスキャフォールドの光熱性能とレオロジー特性は、近赤外レーザー出力密度、近赤外レーザー照射時間、および OPC 含有量に対して一定の反応を示します。

さらに、近赤外線レーザーの照射時間を変えることで、ハイドロゲルの機械的特性を調整することができます。近赤外線レーザー照射下では、OPC を含むハイドロゲルスキャフォールドが急速に加熱され、黒色腫細胞を効果的に殺し、体内での腫瘍の成長を抑制します。さらに、OPC を含むハイドロゲルスキャフォールドは、ヒト臍帯静脈内皮細胞 (HUVEC) とヒト真皮線維芽細胞 (HDF) の接着、増殖、移動を促進し、慢性創傷における血管新生と皮膚再生を著しく促進しました。生体適合性に優れ、創傷治癒を促進するため、黒色腫の治療や創傷治癒に適したスマートな生体材料です。関連研究はACS Nano（IF: 13.9）誌に掲載されました（ACS Nano 2019, 13, 4: 4302-4311、論文の筆頭著者は上海陶磁器研究所の馬宏石博士、指導教員は呉成鉄研究員）。

ブドウ種子抽出物からヒントを得て、プロアントシアニジンを含むハイドロゲルを 3D プリントで作成しました。このハイドロゲルは、インテリジェントで制御可能な光熱特性、レオロジー特性、および機械的特性を備えています。OPC を含むこのスマートハイドロゲルスキャフォールドは、メラノーマ治療用の天然光熱剤として、また創傷治癒用の生体活性材料として使用できます。
この研究は、科学技術部の重点研究開発プログラム、NSFCの中国・ドイツ国際協力基金、中国科学院の学際チームなどのプロジェクトによって支援されました。

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