生物学的 3D プリント技術の発展は材料科学にどの程度の影響を与えるのでしょうか?

バイオ3Dプリンティングは、3D積層造形の原理を活用し、主に生体材料、成長因子、細胞などの活性材料を加工し、人体の組織や臓器の再構築を目指す新しい再生医療工学技術であり、学際的かつ分野横断的な再生医療工学技術です。

生物学的 3D プリントのプロセスは、細胞の家を建てるプロセスに比喩的に例えることができます。バイオマテリアルはレンガやタイルに相当し、バイオインクはコンクリートに相当します。バイオインクは材料を結合できるだけでなく、細胞生産のための生体内に近い成長環境を提供することもできます。プリンターはレンガやタイル、コンクリートで家を建てるセメント作業員です。理論的には、あらゆる材料を印刷に使用できます。バイオメディカルなどのハイエンド分野では、印刷材料の制限が印刷技術の発展を著しく妨げています。印刷材料のボトルネックは、生物学的 3D 印刷の研究における重要な課題の 1 つとなっています。

現在、生物学的 3D プリント材料の問題は主に以下の点に反映されています。
1. 適用可能な材料の成熟度が印刷市場の発展ニーズに追いつけない。
2. 材料の印刷平滑性が不十分であり、特殊材料の強度が要件を満たしていない。
3. 材料の安全性と環境への配慮
4. 資材等の標準化・シリアル管理に関する課題

その中でも、バイオメディカル用途の材料に関する研究は最も注目を集めています。なぜなら、これらの材料は製造が最も難しく、最も高価だからです。バイオメディカル材料の3Dプリントは、組織工学材料の材料強度、安全性、生体適合性、生分解性を考慮する必要があるため、特に困難です。現在、3Dプリントに使用できるバイオメディカル材料には、主に金属、セラミック、ポリマー、バイオインクが含まれます。これらの材料は、分布範囲が広いが、種類が非常に少ないという特徴があります。

今日は医療用金属材料と医療用無機非金属材料について紹介します。生物3Dプリント技術の登場により、これらにはどのような変化が起こっているのでしょうか？

医療用金属材料のナノ構造粉末の出現<br /> 現在、生物学的 3D プリントに使用される SAHOD 材料には、主にチタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金が含まれます。西安の第四軍医大学西京整形外科病院は、患者の鎖骨と肩甲骨と全く同じチタン合金インプラント義肢を印刷し、手術により骨腫瘍患者の体内にチタン合金義肢を移植することに成功した。これは、肩甲帯の非晶質骨再建を応用した世界初の事例であり、パーソナライズされた金属骨修復技術のさらなる成熟を示すものである。

▲西安の3Dプリントチタン合金製骨補綴物が臨床応用に成功。現在、3Dプリント技術の難しさの一つは、印刷に高融点金属、特にタングステン、クロム、レニウムなどの高融点金属、さらにはナノスケールの粉末粒子を使用することです。長年にわたり、さまざまな国の科学者が、費用対効果と理想的なパフォーマンス要件の両方を達成できる新しいプロセスの研究に取り組んできました。

数日前、外国の科学者らが3Dプリント技術を使って複雑なナノスケールの金属構造を作成できる新技術を開発した。この技術は、極小のコンピューターチップ上に3Dロジック回路を作ることから超軽量の航空機部品を設計することまで、さまざまな用途に利用できる可能性がある。このプロセスにより、さまざまな特性を持つさまざまな新しいナノマテリアルが作成できる可能性がある。

▲ニッケルと有機リガンドを原料とする3Dプリントの模式図。ナノスケール3Dプリント技術の出現と発展に伴い、ナノ粉末プリント材料が研究者の間で話題となり、金属粉末がプリント粉末市場で大きな位置を占めるようになった。高度なナノ構造粉末には、超微細結晶構造に対する高い要件があります。ナノ構造粉末は、印刷製品の物理的、化学的、機械的特性を大幅に向上させることができます。これらの特性の向上により、バイオメディカル分野での応用がさらに広がります。

▲3Dプリント直後と熱分解後のニッケルナノ構造のSEM画像
医療用無機非金属材料：バイオガラス材料の反撃<br /> 無機非金属生体材料には、主にバイオセラミックス、バイオガラス、酸化物、リン酸カルシウムセラミックス、医療用炭素材料が含まれます。中でもバイオセラミックスは、高硬度、高強度、低密度、耐高温性、耐腐食性などの優れた特性を持ち、医療用骨代替物、インプラント、歯科、整形外科用義肢などの分野で広く使用されています。しかし、バイオセラミックスは靭性が低く、硬くて脆いため加工や成形が難しく、特に複雑な形状や内部構造を持つセラミック部品は金型で成形する必要があります。しかし、金型加工はコストが高く、開発サイクルも長いため、製品需要に応えることが困難です。近年、バイオセラミックスの複雑な製造プロセスと困難な成形・加工に対応するため、研究者は3Dプリント技術を使用してバイオセラミックスを製造し、大きな進歩を遂げています。

▲3Dプリントされた歯「バイオセラミックスの多くは骨や歯などの硬組織の修復に使われていますが、現在では生物学的効果により、バイオセラミックスは細胞を調整し、傷の治癒を促進することもできることが分かっています。また、心筋、皮膚、脂肪など他の軟組織の再生を促進することもできます。さらに幹細胞の分化を促進し、さまざまな軟組織の修復に使用することができます。」中国科学院上海陶磁器研究所の研究員であるチャン・ジャン氏は、「多くの軟組織損傷の修復には血管の成長が必要なので、バイオセラミックス材料が血管の再生を促進できれば、より多くの軟組織損傷を修復できるでしょう。」と語った。

バイオグラスは、内部にランダムに分子が配置されたケイ酸塩の集合体です。主にナトリウム、カルシウム、リンなどの金属イオンを含んでいます。特定の割合と化学反応条件下では、ヒドロキシリン酸カルシウムを含む複合体を生成します。バイオグラスは高い生体模倣特性を持ち、生物骨組織の主な無機成分です。

▲多孔質生体活性ガラスは、分解性と生体活性を持ち、骨組織の再生を誘導できる材料であるため、骨組織工学の研究分野で組織工学の足場材料として広く使用されており、無機非金属材料の分野で非常に幅広い応用の見通しを持っています。研究者たちはかつてバイオガラス材料を使ってサルの大腿骨を作製し、それを動物の体内に移植し、一定期間後に研究のために取り出した。再生されたサルの骨細胞がバイオガラスのネットワーク構造に成長し、非常に緊密に統合されていることを発見した。機械実験テストでも、この人工骨は元の骨よりも優れた機械的特性を持っていることがわかった。

生物学的 3D 印刷技術が材料科学の発展を推進します<br /> 現在、生物学的3Dプリント技術が徐々に成熟するにつれて、それに必要な生体材料に注目する人が増えています。生体適合性が高く、活性成分を含み、生体内移植のニーズを満たす機械的強度を備えた材料をさらに開発することが、新たな研究領域となっています。

Novaはまた、生物学的3Dプリント技術は革新的な技術であるだけでなく、さまざまな関連分野で利用されるべき科学的手段でもあると考えています。生物学的3Dプリント技術を通じて、より多くの生体適合性材料を探索し、臨床および将来の臓器製造のニーズを満たすことができます。骨治療では、ナノ構造粉末の出現とバイオガラス材料の反撃により、「人工骨」が絶えず進化し、さまざまなカスタマイズされた生体活性人工骨が将来、多数の骨損傷患者に役立つことは明らかです。

本稿では、生物学的3Dプリンティング技術の成熟度が増すにつれ、医療用金属材料と医療用無機非金属材料が大きな進歩を遂げてきたことを紹介する。バイオ3Dプリント技術は、共通の大きな発展イベントです。プリント技術の発展に伴い、一方では材料科学の革新が推進され、他方では、バイオ3Dプリント技術に適したさまざまな材料の進歩も、バイオ3Dプリント技術に直接フィードバックされています。

出典: ノヴァバクテリア

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