多糖類ハイドロゲルの3Dバイオプリンティングにおける最近の進歩

多糖類ハイドロゲルは天然の細胞外マトリックスを模倣し、魅力的な物理化学的および生物学的特性を備えており、3D バイオプリンティングにとって重要なバイオインクとなっています。多糖類ハイドロゲルは、自然の細胞環境と同様に細胞の接着、増殖、分化を促進できるため、組織工学や再生医療で広く使用されています。

最近、ベルファスト女王大学の Lalitkumar K. Vora チームとブリュッセル自由大学の Fouad Damiri チームが、多糖類ハイドロゲル駆動型 3D バイオプリンティングの製造方法、特性、用途を包括的に研究し、組織工学、薬物送達、再生医療におけるその可能性を強調し、この分野の将来の研究に関連する知識を提供しました。

関連する研究成果は、2024年10月16日に「Carbohydrate Polymers」に「バイオメディカル用途向け3Dバイオプリント多糖類ハイドロゲルの最近の進歩：包括的レビュー」というタイトルで掲載されました。

まず、このレビューでは、3D バイオプリンティング用のさまざまなソース (海洋、植物/種子、細菌、動物/ヒト) からの多糖類ハイドロゲルの概要を示します。そのうち、海洋由来の多糖類にはキトサン（図 1）、アルギン酸、アガロース（図 2）、カラギーナンが含まれ、植物/種子由来の多糖類にはセルロースとその誘導体（図 3）、デンプン、ペクチン（図 4）が含まれ、細菌由来の多糖類にはキサンタンガム、デキストラン（図 5）、プルランが含まれ、動物/ヒト由来の多糖類にはヒアルロン酸（図 6）、コンドロイチン硫酸（図 7）、ヘパリンが含まれます。

図1 キトサンベースの3Dプリント構造
図2 アガロースをベースにした様々な3Dプリント構造図3 セルロースをベースにした様々な3Dプリント構造
図 4 ペクチンをベースにしたさまざまな 3D プリント構造図 5 デキストランをベースにした 3D プリント構造図 6 ヒアルロン酸をベースにした 3D プリント構造図 7 コンドロイチン硫酸をベースにした 3D プリント構造
次に、インクジェット、レーザーアシスト、押し出し、ステレオリソグラフィー、マイクロバルブ、音響、ニードルアレイバイオプリンターの 7 つの異なるタイプのバイオプリンターを紹介します (図 8)。さらに、各印刷モジュールの機能メカニズムと顕著な特徴の簡単な概要も提供されます。適切なバイオプリンターを選択するには、印刷する組織または臓器の固有の構造上のニーズを慎重に考慮する必要があります。

図 8 3D バイオプリンティング分類の概要全体または一部が多糖類で構成された 3D プリントハイドロゲルの潜在的な用途を強調するために、この論文では、この刺激的な研究分野で過去 5 年間に達成された進歩をレビューします。これらの材料の幅広い応用性を考慮して、このレビューでは、再生医療と組織工学 (表 1)、細胞培養 (表 2)、薬物送達 (表 3)、バイオセンシングの 4 つの主要分野に焦点を当てています。

表1 再生医療および組織工学のための3Dプリント多糖類ハイドロゲル（一部）
表2 細胞培養用途向け多糖類ベースの3Dプリントハイドロゲル（一部）
表3 薬物送達用途向け多糖類ベースの3Dプリントハイドロゲル
多糖類ハイドロゲルベースの 3D バイオプリンティング材料は、さまざまな生物医学的用途に大きな可能性を秘めていますが、その可能性を最大限に実現するにはいくつかの課題に対処する必要があります (図 9)。 3D バイオプリンティングを使用したハイドロゲルの開発と製造の複雑な課題に対処するために、研究者はハイブリッド構造、多機能プラットフォーム、インサイチュー薬物送達アプローチなどの新しい技術を活用して、既存の臨床ニーズに対応する革新的なソリューションを開発できます。

図9 直面する主な課題
出典: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.122845

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