MIT、細胞レベルでの生体材料基板の3Dプリントを実現

出典: BMCジャーナル

細胞の形状が細胞の機能を決定することはよく知られています。細胞操作に用いられる生体材料基質の生体物理学的特性を変化させることで生物の形状を変化させ、細胞の形態や機能をプログラムする技術は、バイオメディカルなどの分野において重要な価値と意義を持っています。 MITのビット・アンド・アトムセンターとニュージャージー州のスティーブンス工科大学の技術チームは、溶融直接描画法を用いて3Dバイオマテリアル基板を製造する技術を実現しました。この技術は、特定のバイオマテリアル基板を制御することで、均一なサイズと形状、および特定の機能を備えた細胞を成長させることに使用できます。

従来の 3D 印刷技術では、最大 150 マイクロメートル (1 メートルの 100 万分の 1) のフィラメントを製造できます。このスケールで表面に印刷されたセルは、印刷されたメッシュ構造よりもセル自体がはるかに小さいため、2 次元表面上のセルとまったく同じように見えます。 3Dプリントでは、繊維を押し出して印刷する過程でノズル間に強い電界を加えます。印刷される繊維の幅は10ミクロンに達することがあります。この技術はメルトダイレクトライティング技術と呼ばれています。メルトダイレクトライティング技術は、細胞と同じスケールのネットワーク構造を生成できるため、細胞の成長に真の 3D 構造を提供できます。細胞の多くの機能は、その微小環境の影響を受けます。3Dプリントされた多孔質微細構造を細胞と同じスケールで調整することで、細胞のサイズ、形状、材料基板への接着方法を制御し、特定のサイズ、形状、特性を持つ細胞を作成することができます。

研究チームはまず、メルトダイレクトライティング技術を使用してさまざまな特定の構造を持つ生物学的基質を取得し、次に共焦点顕微鏡を使用して繊維内の細胞の成長を観察し、生成された大量の画像を人工知能手法で分析および分類することで、細胞の種類とその変動性と、細胞が成長する微小環境の空間および繊維配置特性との関係を発見しました。

細胞は構造物に付着する部位に接着斑と呼ばれるタンパク質を形成します。接着焦点は、細胞と外界との間で通信を行う「メッセンジャー」のようなものです。このタンパク質は測定可能な特性を持っています。研究チームは、接着焦点の特性を定量化し、これらの特性の定量分析を行って、さまざまな形状の細胞のモデル化と分類を実現しました。

この研究は、与えられたメッシュ構造の下で、細胞成長の形状がその基質構造および溶融直接描画構造と直接結合し、この結合がランダム構造のグリッドと比較して非常に均一であることを示しています。この均一な細胞成長特性は、バイオメディカルにとって非常に重要であり、細胞の正確な設計と定量化のための形状駆動型の非常に再現性の高い方法を実現します。

研究チームはこの成果を幹細胞の増殖に応用し、その結果、特定の幹細胞は、従来の2次元構造で増殖した場合よりも、本研究で得られた3次元グリッドで増殖した場合の方が、その特性を著しく長く維持することが示されました。この実験は、この技術を医療分野に応用するための参考となるものであり、この技術は特定の機能を持つヒト細胞を培養するのに使用でき、移植や人工臓器に必要な材料を提供することができます。細胞表現型の変化と 3D プリントの材料基板との間の結合特性をさらに明らかにすることが、この研究の産業応用における主な障害です。

出典: BMCジャーナル

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