3Dプリントされた人工色素はセンサーや伸縮性電子機器に使用できる可能性がある

海で最も一般的なタコが、ニューハンプシャー大学の2人の研究者にとって新しい3Dプリント素材のインスピレーションとなった。頭足動物の仲間であるタコ、イカ、コウイカは、海中でのカモフラージュの達人で、周囲の環境に適応するために瞬時に体色を変えることができます。これは、深海生物が捕食者を避け、より簡単に獲物を狩ることを可能にする驚くべきカモフラージュです。

写真の丸で囲んだ部分はタコの色の変化を示しています。現在、ニューハンプシャー大学機械工学部のユンヤオ・ジャン教授とヤニン・リー氏は、この水生動物を人工的に再現することを視野に入れて、多くの時間を費やして研究してきました。まず、このカモフラージュのメカニズムが自然界でどのように機能するかを詳しく見てみましょう。水中カモフラージュの達人として知られる頭足動物は、皮膚にある非常に敏感な色素胞器官のおかげで、驚くべきカモフラージュ能力を持っています。色素胞器官の機構は、放射状に配置された 4 ～ 24 本の筋繊維で結合された、色素を含む単一の色素胞を中心に回転します。

タコが危険な状況から逃げる時や獲物を捕まえる時に筋肉を収縮させると、その生物の色素細胞が急速に変化し、皮膚の色素が効率的に移動します。頭足動物は、基本的な色の変化に加えて、色素胞の異なるグループを選択的かつ順次拡大縮小することで、広範囲にわたる色の変化を実現し、戦略的にカモフラージュすることができます。簡単に言えば、タコは色を急速に変えることができるだけでなく、周囲の環境に合わせて計画的に色を変えることもできます。

この自然の驚異にインスピレーションを受け、研究者たちはさまざまな材料を使った3Dプリントを通じて独自の人工顔料の開発に着手しました。タコは色素輸送能力を主に色素輸送に利用しているが、ニューハンプシャー大学の教授らは、この研究で劇的な変化と独自の連続開口メカニズムを生み出そうとした。物質が一方向に膨張すると同時に別の方向に引き伸ばされるというラプラス効果という科学的概念が、この成功を達成するための鍵となった。 2つの異なる方向でキラル構造を調整することで、一方向のみに負荷がかかったときに異なるサイズの細胞が順番に開くことを可能にするメカニズムを設計することができました。これは、人工的に設計されたセルをさまざまな配列パターンで開き、形状と材料の組み合わせによって調整できることを意味します。

ラプラス効果の図解価値ある新しい設計コンセプトとして、研究者のイノベーションは、薬物送達や色の変化を促進するために使用するスマートメタマテリアルに重大な影響を及ぼす可能性があります。潜在的な用途は、控えめに言っても数多くあります。これらの 3D プリント顔料を利用することで、バイオメディカルスキャフォールド、包帯、薬剤貯蔵庫、ステントをより効果的かつ着用者の体に適応するように設計できるようになります。スマート応答性複合材料、アクチュエーターとセンサー、伸縮性電子機器などの分野に加えて、折りたたみ式または展開可能なデバイスの拡大された分野も、このイノベーションの恩恵を受ける可能性があります。動物実験だけでなく、人間の皮膚も 3D プリントできます。

現在、3Dプリンティングはさまざまな研究分野に挑戦しており、人間の皮膚の3Dプリンティングもその1つです。 3D プリントされた皮膚は医薬品や化粧品の試験に価値があるだけでなく、火傷や事故の被害者に皮膚移植を行って身体の状態を変えることもできます。人工皮膚構造はこれらの方向に使用されていますが、毛包、汗腺、色素沈着など、天然皮膚の特徴の多くを備えていません。

3D プリントされた人間の皮膚は自然な色素沈着を実現します。タコの皮膚と同じように、3D プリントされた人間の皮膚は自然な色素沈着を実現します。南洋理工大学のシンガポール研究所 (SIMTECH) とシンガポール 3D プリントセンター (SC3DP) は、色素沈着した人間の皮膚構造の 3D バイオプリントを開発しました。研究チームはバイオプリンティング技術を使用して、生体模倣組織マトリックス上のメラニン生成皮膚細胞、つまりメラノサイトの分布を制御し、実際の人間の皮膚に似た色素を持つ皮膚を作り出した。

3D プリント技術は、生体材料と生体細胞を正確に堆積させて、高い再現性でバイオニックスキンを作成するための優れたプラットフォームであり、3D プリントされた皮膚が均一な皮膚色素を持つことは今のところ見られません。研究者らは、メラノサイト、ケラチノサイト、線維芽細胞という3種類の皮膚細胞と、「ドロップオンデマンド」と呼ばれる2段階のバイオプリンティング法を使用した。

毛包、汗腺、色素のない 3D プリントされた人間の皮膚「2 段階のバイオプリンティング戦略では、皮膚の真皮領域を作製し、バイオミメティック皮膚構造上の所定の場所に表皮細胞 (ケラチノサイトやメラノサイトなど) を堆積させて、3D の in vitro 色素ヒト皮膚構造を作成します。この研究では、3D プリントされた皮膚構造をハンドキャスティング法で作製されたものと比較すると、2 つの製造方法には 2 つの明確な違いがあることがわかりました。それは、真皮領域上部の細胞分布と真皮領域内の微細構造です。ハンドキャスティング法と比較して、2 段階のバイオプリンティング戦略では、高度に制御された方法でプリントされた細胞の標準化された分布が可能になりました。

人間の肌の色には無数のバリエーションがあるため、多くの女性は自分の肌の色にぴったり合う化粧品を見つけるのに苦労しています。研究者たちが自然の皮膚に似た色素を作り出すことができれば、皮膚移植を必要とする人々にとって素晴らしいニュースとなるだろう。皮膚移植は命を救うことができ、外傷の治癒の鍵となるが、美容の観点から見ると、人工皮膚移植には欠けているものが多くある。患者は当然、皮膚として機能する新しい皮膚を必要としています。

出典: ZOL中関村オンライン

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