顔面および顎の修復、心臓血管の構築、バイオチップにおける 3D プリントの応用

人々は長い間、損傷した組織や病気の組織や臓器を完全に再現し再生できる材料や装置の研究に専念したいと願ってきました。バイオテクノロジー、医療技術、情報技術、製造技術、ナノテクノロジー、材料科学技術の急速な発展と相互統合により、3Dプリント技術の出現など、新しい概念のバイオメディカル材料が次々と登場しています。
3D プリント技術により、患者のニーズに応じてバイオポリマー材料を迅速かつ正確にカスタマイズできます。生体医学的材料は、組織再生工学、人工臓器および組織の製造、心血管の構築、薬物送達システム、医療診断において新たな用途を持っています。

顔面および顎関節の修復における 3D プリントの応用<br /> 顎の欠損は、腫瘍の切除、外傷、放射線による骨壊死、炎症などでよく見られます。この欠損は、患者の咀嚼、発話、嚥下などの生理機能に重大な影響を及ぼすだけでなく、患者の外見や心理にも大きな影響を及ぼします。組織工学技術の発展に伴い、骨組織工学は骨欠損の修復において非常に重要な役割を果たしており、骨組織の成長を促進し、骨欠損を修復し、生理活性物質を提示することができます。 3D プリント技術の出現により、医療分野、特に硬組織欠損の修復と再建に新たな世界が開かれ、直接的または間接的に手術の精度が向上し、低侵襲性と個別化の要件が満たされました。

3D プリント技術は、対応する材料を使用して層ごとに実体を作成する組織工学技術です。 CT データを処理することで、患者の骨組織の 3 次元デジタルモデルが作成され、ラピッドプロトタイピングマシンに入力されます。作成された 1:1 ラピッドプロトタイピングモデルは実際の骨組織と一致しているため、医師は組織の微妙な解剖学的構造や病変と周囲の構造との関係を正確に理解し、手術計画を議論して策定することができます。

骨組織工学スキャフォールドの構築に関して言えば、3D プリント技術は設計が容易で、構築に金型を必要としません。複雑な構造、均一な気孔、さまざまな幾何学的形状を持つ骨組織工学スキャフォールドを簡単に準備できます。 3Dプリント技術は、原理の違いにより、熱溶解積層技術、3次元印刷技術、選択的レーザー焼結技術、3次元生物描写技術、低温堆積製造技術などに分けられます。骨の内部構造を含む3次元多孔質構造を作製することができ、組織工学の足場材料の作製と構築において幅広い応用の見通しを持っています。 3D プリント技術には、高精度、高速構築、オンデマンド製造、パーソナライズされたカスタマイズなどの利点があります。

心臓血管構造における3Dプリントの応用

3Dプリント技術は、組織工学心筋、心臓弁、大血管、血管網の構築における探索段階を完了し、印刷方法の多様化と生物活性原材料の選択において重要な進歩を遂げました。 3D バイオプリンティングは、カスタマイズ可能な 3D プリントされたシリコン型を使用して、プリントされた組織構造を収容およびサポートすることで機能します。研究者たちはまずこの型に血管の格子を印刷し、次にその上に生きた幹細胞を含むインクを印刷した。

研究者たちは、この基本的な血管グリッド内の交差点に血管柱を印刷し、それらが互いに接続して、幹細胞が詰まった組織全体に遍在する微小血管ネットワークを形成します。印刷後、線維芽細胞と細胞外マトリックスで構成された液体が 3D 印刷された組織の周囲の空き領域を満たし、その構造全体を架橋します。得られた軟組織には血管が満ちており、研究者らはシリコン型の両端にあるポートを通じて組織に栄養分を注入し、細胞を生かし続けることができる。遍在する血管系は、組織全体のあらゆる場所に細胞成長因子を送達することで幹細胞の分化を促進します。

現在、組織工学による心臓弁や人工大血管の印刷は急速に発展し成熟しており、原材料の要件が低いため、徐々に臨床実践に応用され始めています。組織工学による心筋と血管ネットワークの印刷は相互に補完し合い、材料と印刷方法の選択はより要求が厳しくなっています。生物学的活性を考慮しながら、組織の生理学的機能の実現を保証する必要があります。克服する必要がある技術的な困難はまだ多くあります。

3D プリント技術は、消費時間が短い、消耗品が少ない、オンデマンドのカスタマイズ、精密で複雑な製品の個別製造などの利点があり、臓器提供者の不足、臓器の免疫拒絶、生体模倣生物組織工学の難しさなど、現在の重要な問題をある程度解決しています。 3D 技術の将来的な発展により、既存の困難が克服され、臨床疾患の診断と治療にさらに広く使用されるようになるでしょう。

バイオチップにおける 3D プリントの応用<br /> 臓器バイオチップとは、マイクロ流体バイオチップ上に製造された微小な人体組織を指し、その機能は人体組織の機能を模倣することです。生物学研究や薬物スクリーニング実験では、臓器バイオチップは 2 次元細胞培養法よりも効果的であることが多いです。コネチカット大学やその他の研究機関の科学者は、「3D プリントによるチップ上の臓器のシングルステップバイオファブリケーションに向けて」という記事の中で、従来のマイクロ流体チップ製造技術は労働集約的な産業であり、研究室でのチップ設計の迅速な反復や迅速な製造には役立たないと述べています。

3D 印刷技術を使用してマイクロ流体バイオチップを製造すると、数時間以内にマイクロ流体チャネルを迅速に製造できるため、設計の迅速な反復が可能になり、マイクロ流体研究の学際性が向上し、イノベーションが加速されます。将来的には、高度な生物学的 3D プリンターは、マイクロ流体プラットフォームを印刷できるだけでなく、同時にマイクロ流体プラットフォーム内でカスタマイズされた微細な人間の組織を直接印刷することも可能になります。

3D プリント技術は医療分野で好調なスタートを切っており、幅広い応用が期待されています。 3Dプリント技術の継続的な研究開発と改善、そして材料技術、情報技術、制御技術の継続的な最適化と改善により、3Dプリント技術はますます完璧で成熟し、医療分野のより多くの患者に希望をもたらすでしょう。

出典: BioValley 詳しい情報:
3Dプリントにおける生体材料の応用

顔面および顎の修復、心臓血管の構築、バイオチップにおける 3D プリントの応用

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