将来のバイオエンジニアリング分野における3Dプリント技術の5つの主要な応用

医療業界における3Dプリント技術の応用の歴史は、1980年代の医療用模型の製造から始まりました。3Dプリント技術と医療用3Dプリント材料技術の発展により、現在では3Dプリント技術は義歯や整形外科用インプラントの直接製造に応用されています。将来的には、 3D プリント技術の応用が生命科学やバイオエンジニアリング技術と組み合わされ、生物学的に活性な組織や臓器が製造されるようになります。私たちは、バイオエンジニアリング分野における 3D プリント技術の 5 つの応用展望を整理し、読者と共有しました。

5つの応用可能性

1.カスタマイズされた臓器バイオチップ 臓器バイオチップ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。例えば、腸チップは人間の腸の成長環境や臓器構造をシミュレートし、腸内での薬物や食物の吸収状況や効率を研究します。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。従来のマイクロ流体チップ製造技術は労働集約型産業であり、研究室でのチップ設計の迅速な反復と迅速な製造には適していません。 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ます。
おそらく将来的には、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、カスタマイズされた微細な人間の組織をマイクロ流体プラットフォームで直接印刷できるようになるでしょう。
2.スキン製造 人工皮膚 3D バイオプリント皮膚は、火傷や慢性創傷の患者の治療に使用されることが期待されています。現在、生物学的 3D 印刷技術は、完全な機能を備えた人工皮膚を生産することができます。この技術は、色素や皮膚の老化モデルの構築、血管網や毛包の製造など、いくつかの重要な皮膚組織工学の側面でその可能性を実証しています。バイオプリント皮膚技術の臨床応用はまだ非常に初期段階ですが、いくつかの貴重な前臨床動物実験はすでに進行中です。たとえば、ウェイクフォレスト大学はインクジェット 3D バイオプリンティング技術を使用して皮膚を作成し、その皮膚を使用してマウスの損傷した皮膚をその場で修復したところ、良好な細胞生存率と皮膚修復結果を達成しました。
3.顔面再建 人体の頭蓋顔面領域は、骨、軟骨、筋肉、靭帯、皮膚、血管、神経など、いくつかの複雑な組織で構成されています。組織が外傷を受けたり、先天的な欠陥があったりすると、人の外見に影響を及ぼします。過去数十年にわたり、この頭蓋顔面欠損の再建技術は、例えば、下顎を修復するために人体の他の部分から骨を採取することから、下顎再建のために 3D プリントされたチタン合金のカスタマイズされたインプラントを使用することまで、発展してきました。顔面再建の治療目標は既存の技術で達成されましたが、インプラントの耐用年数や感染の可能性などの要因により、頭蓋顔面修復技術の発展は止まっていません。バイオ3Dプリント技術と組織工学は、開発の方向性の1つです。

4.挿入血管
3D プリントされた血管ネットワーク組織構造移植後の組織の生存を確保し、臓器の機能を維持するためには、人工組織内での血管の生成が必要です。しかし、移植後に人間の動脈や静脈に直接接続できる血管網を備えた組織や臓器を製造することは、医療分野における大きな課題です。 2016年、ハーバード大学工学応用科学学部（SEAS）は、ヴィース生物学インスパイアードエンジニアリング研究所と提携し、この分野で新たなブレークスルーを達成しました。十分な厚さの血管網組織構造を3Dプリントできる新しい方法を発明しました。これにより、液体、栄養素、細胞成長因子がスムーズに流入し、移植された細胞の生存を確保して成長を促進し、最終的に完全な機能組織を形成できます。
5.薬物検査 先ほど、生物学的 3D 印刷技術は臓器バイオチップのカスタマイズされた製造に使用できると述べました。カスタマイズされた臓器チップの重要な用途の 1 つは薬物スクリーニングです。薬物スクリーニングとは、薬物として使用される可能性のある物質（サンプル）の生物学的活性、薬理効果、薬効を適切な方法を使用して評価するプロセスを指します。従来の薬物スクリーニング方法には、ハイスループットスクリーニング、動物スクリーニングモデル、ハイコンテンツスクリーニング、仮想薬物スクリーニングなどがあり、その中でハイスループットスクリーニングは現在薬物スクリーニングの主流の方法です。
既存の薬物スクリーニング技術はすべてin vitro薬物スクリーニングに属し、そのほとんどは培養皿内の平面培養細胞に対して行われるスクリーニング試験です。in vitroでは生体内の活性細胞の増殖環境をシミュレートすることが難しいため、薬物の有効性の精度が低くなりがちです。既存のin vivoスクリーニング技術は動物に使用されていますが、動物と人間の環境の種の違いや検査コストの高さにより、実験結果も理想的ではありません。

3Dプリント薬物スクリーニングは主に細胞3Dプリント技術に基づいており、3次元モデルに従って細胞を印刷します。この3次元構造は人体の構造に従って構築され、細胞の接着、成長、移動に適しています。他のスクリーニング方法と比較して、この細胞構造は人体の成長環境に似ているため、より正確なスクリーニング結果を得ることができます。

生物学的3Dプリントの開発における問題点のまとめ
1.研究の進歩は遅く、まだ研究の初期段階にあります。業界の観点から見ると、バイオ 3D プリンティングは単なる医療問題ではなく、生命科学、材料科学、情報技術、組織工学、製造、臨床試験などが交差する主要な分野です。生体臓器などの複雑な生物を印刷する能力は、バイオメディカル分野の発展だけで達成されたことはありません。真の生物学的 3D 印刷はどれくらい遠いのでしょうか? 実現するのは想像したほど簡単ではないかもしれません。
現在、生物3Dプリンティングはまだ研究の初期段階にあります。材料、印刷方法、組織構造、遺伝子科学などの現在の研究は、生きた生物臓器の印刷をサポートするにはほど遠いものです。上記の技術要素は基本的に独立した研究段階にあり、産業チェーンの研究メカニズムをまだ提示していません。
2.医療機器の承認プロセスが遅い 埋め込み型医療機器が合法かつ適合性のある製品となるかどうかは、国の承認を得られるかどうかにかかっています。米国では FDA の承認、欧州では CE 認証、中国では CFDA (国家食品医薬品局) の登録承認が必要です。
我が国では、医療機器を3つのカテゴリーに分類しています。カテゴリーIの医療機器とは、日常的な管理で安全性と有効性が保証できる医療機器を指します。カテゴリーIIの医療機器とは、安全性と有効性を管理する必要がある医療機器を指します。カテゴリーIIIの医療機器とは、生命の維持・維持のために人体に埋め込まれ、人体に潜在的なリスクをもたらすため、安全性と有効性を厳密に管理する必要がある医療機器を指します。
生物学的 3D プリントインプラントのほとんどはクラス III 医療機器に属し、その安全性と有効性は厳密にテストされる必要があります。登録および承認プロセスは一般的に次のようになります: 研究開発および設計段階 (少なくとも 1 ～ 2 年) - 物理的、化学的、生物学的評価段階 (少なくとも 1 年) - 臨床試験段階 (少なくとも 2 ～ 3 年) - 登録および承認段階 (1 年) - 市場投入。研究開発からテストまですべてが順調に進むと仮定すると、製品発売の全プロセスには少なくとも6〜7年かかります。現在、各国は細胞を含むバイオプリント製品に対応する登録規制をまだ発行しておらず、監督も非常に厳しいため、生物学的3Dプリントの産業化への道はさらに長くなるでしょう。

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