詳細分析 | 3Dプリント骨組織工学スキャフォールドの研究

文：李翔

人体は大きな骨の欠損を完全に治癒することができず、ほとんどの場合、正常な状態に戻すには外部からの外科的介入が必要であることはよく知られています。現在、臨床現場で一般的に使用されている骨移植材料は次のとおりです。自家骨、つまり患者自身の体から採取された材料は、最も理想的な修復材料ですが、二次損傷、手術部位とドナー部位での複数の合併症、供給源の不足などの問題があります。同種骨は主に死体や動物から提供されており、免疫反応、潜在的な感染リスク、倫理的問題があります。

図1: 異なる後処理プロセスと異なるコンポーネントを使用した3Dプリント人工骨スキャフォールドの機械的および生物学的特性

このような状況において、3D プリントされた人工骨の足場は、関連する科学研究者にとって研究のホットスポットとなっています。この技術は、設計された形状、制御された化学的性質、相互接続された気孔を備えた多孔質スキャフォールドを直接製造できるため、骨修復材料を製造するための唯一の選択肢となっています。この記事では、Materials Today に掲載されたレビュー記事「3D プリントを使用した骨組織工学」を組み合わせて、3D プリントされた人工骨スキャフォールドの最新の進歩、現在の課題、将来の開発方向を紹介します。

このレビューでは、まず関連する背景を紹介します。人体の骨組織は、海綿骨と皮質骨という 2 つの異なる構造で構成されています。海綿骨はスポンジ状で、多孔率は50～90%です。皮質骨は、多孔率が 10% 未満の緻密な骨の外層です。骨組織の継続的な成長には、相互接続された細孔が、栄養素と分子をスキャフォールド内部に輸送し、細胞の成長、血管新生、老廃物の除去を促進するために非常に重要です。現在、多孔質骨スキャフォールドは、化学/ガス発泡、溶媒鋳造、粒子/塩浸漬、凍結乾燥などのさまざまな方法で製造できます。しかし、これらの方法では、孔のサイズ、形状、およびそれらの相互接続性を制御することはできません。このタイプのブラケットを設計および製造するために 3D プリント方式を使用すると、上記の問題を効果的に解決できます。

次に、多孔質スキャフォールドの強度と分解特性は、荷重方向に対する孔のサイズ、形状、支持方向によって大きく左右されると結論付けています。次に、表面電荷や形態などの材料表面特性も材料の親水性に影響を及ぼし、骨組織の成長に影響を及ぼします。記事はさらに、多孔質スキャフォールドの主な課題は機械的強度の低さである一方、最適化された後処理方法と組成の変更により人工骨スキャフォールドの機械的特性を改善できることを指摘しています。

図2: 3Dプリントされた頭蓋骨構造とインプラント構造の例

成長因子や薬物送達のための 3D プリントされた足場の使用も注目の話題です。このアプローチは、全身投与に必要な投与量を減らし、副作用を大幅に軽減するだけでなく、薬物の放出パターンを制御することも可能にします。論文では、スキャフォールドの細孔サイズ、接続性、形状が薬物負荷と生体内放出速度を制御するための効果的なパラメータであると結論付けています。

この記事は、3D プリント人工骨技術の現在の課題と将来の開発方向に焦点を当てており、焼結プロセス中に接着剤の残留物を除去するのが難しい可能性があることを指摘しています。より高い精度と解像度を実現し、より小さな孔サイズを作成するには、粉末の特性と構築パラメータに依存します。また、3D プリントされた人工骨には、高温での焼結や緻密化などの後処理が必ず必要になります。焼結中、全体的な収縮は不均一であり、部品に広範囲の亀裂が生じて使用できなくなる可能性があります。この欠陥のため、海綿骨と皮質骨が共存する前述の構造を 3D プリントで正確にシミュレートすることは非常に困難です。後処理のもう 1 つの課題は、部品内の相互接続された細孔から遊離した粉末を除去することです。細孔内に残った粉末は多孔質部品と焼結し、設計部品との相互接続性が低下し、焼結後の細孔のサイズがさらに小さくなります。

図 3: 3D プリントされた人工骨スキャフォールドに基づく薬物放出研究は、患者固有の欠陥や特定の臨床ニーズに合わせてカスタマイズできるため、この分野での 3D プリント技術の需要は今後も増加し続けるでしょう。人工骨の 3D プリントにおいて、最も注意を払う必要がある重要な問題は、多孔質スキャフォールドの機械的特性です。しかし、多孔性を高めると足場の強度は低下しますが、分解性ポリマーを浸透させて足場の強度と靭性を高めることがこの問題を解決する 1 つの方法です。第二に、生きた細胞を印刷したり、成長因子や薬物治療を追加したりすることも、有望な研究方向となるでしょう。記事は、現在の技術では組織のような構造物を作ることはできるが、機能的な組織を完全に印刷するにはまだ遠いと結論付けている。骨組織工学を継続的に進歩させるには、この方向でさらなるプロセス特性の最適化、in vitro および in vivo 研究が必要です。

著者: Li Xiang 出典: EngineeringForLife

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