3Dプリント技術とバイオメディカル材料の開発

3Dプリント技術とバイオメディカル材料の開発
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3Dプリント技術は、光学・機械・電気、コンピューター、数値制御、新素材を融合した先進的な製造技術として、航空宇宙、軍事産業と兵器、自動車とレース、エレクトロニクス、バイオメディカル、歯科、ジュエリー、ゲーム、消費財と日用品、食品、建設、教育など多くの分野で広く利用されており、急速に発展するトレンドとなっています。理論的には、あらゆる材料を印刷に使用できます。ハイエンド分野では、印刷材料の制限により、印刷技術の発展が著しく妨げられています。印刷材料のボトルネックは、3D プリンティングの研究における重要な課題の 1 つになっています。
深セン光華維業の楊一湖会長は、3Dプリント材料の現在の問題は主に以下の点に反映されていると考えている。適用可能な材料の成熟度が印刷市場の発展のニーズに追いつけない、材料の印刷の滑らかさが十分でない、特殊材料の強度が要件を満たしていない、材料の安全性と環境への配慮、材料の標準化とシリアル化管理など。印刷材料に関連する一連の問題を解決することは特に重要であり、これは 3D 印刷技術が迅速な製造の新しい時代へと導くことができるかどうかに直接関係しています。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。 2017年初頭、アンタークティック・ベアは、ブルーライト・イノ社が3Dプリントした血管をサルに移植した後、2017年に人間への臨床移植を開始する予定であることを知った。

1. バイオメディカル工学における3Dプリント技術の応用

現在、3Dプリント技術は、骨、歯、人工肝臓、人工血管などの物理的な製造や医薬品製造など、バイオメディカル分野で広く利用されているだけでなく、国際社会では臓器モデルの製造や手術の分析と計画、パーソナライズされた組織工学の足場材料や人工インプラントの製造、細胞や組織の印刷などの用途にもこの技術が使用され始めています。 2013年12月、ケンブリッジ大学再生医療研究所が、ラットの網膜の神経節細胞とグリア細胞を使用して3Dプリント技術を駆使し、立体構造の人工網膜を作製したと報告された。印刷された人工網膜細胞は生存率が高く、分裂して成長する能力も残っています。この画期的な進歩は、失明を治すという人類の希望をもたらします。現在、3Dプリント技術やバイオニック材料を用いて細胞を使わない修復材料がいくつか作製されており、臨床現場で使用されています。将来的には、3D プリント技術を使用して、生物学的に活性な人間の臓器を印刷し、人工臓器の臨床応用を実現することができます。さらに、3Dプリント技術は、個別化された治療、治療コストの削減、将来的にはより生体適合性および生分解性の高い材料の開発に活用することができ、3Dプリント技術と組み合わせることで、材料不足による人体への害を軽減することができます。このように、3D プリント技術は医療分野に革命的なトレンドをもたらすことは間違いありません。

2.3Dプリントバイオメディカル材料

2.1 医療用金属材料は現在研究に使用されている
3D プリントで使用されるバイオメディカル材料のほとんどはプラスチックですが、金属材料はプラスチックよりも機械的強度、導電性、延性に優れているため、硬組織修復研究の分野では当然有利です。金属の融点は比較的高く、印刷が難しいため、金属3Dプリントでは一般的に光硬化3Dプリント（SLA）と選択的レーザー焼結（SLS）処理が使用されます。紫外線または高エネルギーレーザーの照射下で金属粉末によって生成される高温により、金属粉末の融合が実現され、層ごとに積み重ねることで必要な部品が得られます。現在、バイオメディカルプリンティングに使用されている 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、アルミニウム合金などがあります。西安の第四軍医大学西京整形外科病院骨腫瘍科の郭正教授率いるチームは、金属3Dプリント技術を使用して、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プロテーゼを印刷しました。チタン合金プロテーゼは、手術によって骨腫瘍患者の体内にうまく移植されました。これは、肩甲帯の非晶質骨再建の世界で初めての応用であり、3Dプリントによる個別化金属骨修復技術のさらなる成熟を示しています。


従来の個別インプラント補綴物作製技術と比較して、鎖骨や肩甲骨などの非晶質骨用の3Dプリント個別チタン合金インプラント補綴物は適合性が高く、機能と外観が患者と医師によく認識されています。多孔質設計により、石骨と軟組織の付着と成長率が高く、弾性係数が低減されるため、応力遮蔽の合併症が軽減され、製品品質が安定しており、精度は1mmに達し、作製サイクルが短いなどの利点があります。この技術の現状の欠点は、印刷材料が高価で患者に大きな経済的負担がかかること、普及が難しいことである。中国科学院物理化学技術研究所は、液体金属Ga67In20.5Sn12.5合金（融点約11℃）などの低融点金属3Dプリント技術と低侵襲手術を組み合わせて、生体内の標的組織に医療用電子機器を直接射出成形する革新的な研究を実施しました。まず、生体適合性包装材料（ゼラチンなど）を生物組織に注入して固め、特定の構造を形成します。次に、ツール（注射針など）を使用して、固まった包装領域を貫通して引き出し、電極領域を形成します。最後に、導電性金属インク、絶縁インク、さらには一致するマイクロ/ナノスケールデバイスを順番に注入して、目的の電子デバイスを形成します。針の挿入方向、注入部位、注入量、針の変位、マイクロインジェクターの速度などの 3D プリント手順を制御することで、対象組織で所定の形状と機能を備えた端末デバイスを構築できます。彼らはこの技術を使用して、生体組織内に 3D 液体金属 REID アンテナを作成しました。この生体内 3D 印刷技術を使用して作成された柔軟なデバイスは、コンプライアンス、適合性が高く、侵襲性が最小限で、コストが低いため、優れた応用可能性を示しており、埋め込み型バイオメディカル電子技術の分野で大きな意義を持っています。

ナノ 3D 印刷技術の出現と発展に伴い、ナノ粉末印刷材料は研究者の間で話題となり、金属粉末は 3D 印刷粉末市場で主要な位置を占めるようになりました。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。しかし、これらのナノパウダーの工業化と商品化は、処理の難しさ、生産効率の低さ、コストの高さのため、依然として非常に困難です。

2.2 医療用無機非金属材料<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、硬くて脆い特性の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、製品需要を満たすことが困難です。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。


西条らは、リン酸三カルシウム粉末などの生体材料を使用してパーソナライズされた義肢を作製しました。加工後は、手術中に彫刻する必要がなく、義肢を人体に直接埋め込むことができます。彼らは美容整形分野に3Dプリントを導入し、良好な結果を達成しました。 3Dプリント技術を利用した化粧品材料の製造は、顧客のさまざまな個別ニーズを満たすだけでなく、一度の精密成形を実現し、従来の技術の面倒な術前彫刻プロセスを排除し、手術時間を大幅に節約できるため、広く注目を集めています。現在、主なバイオセラミックスには、リン酸カルシウム、リン酸二ケイ酸カルシウム、二相性リン酸カルシウム、ケイ酸カルシウム/β-リン酸三カルシウムなどがあります。 3D プリントされたセラミック スキャフォールドには、細胞の骨形成分化と血管新生を促進する生物学的活性があります。ヒドロキシアパタイト スキャフォールドは、神経鞘幹細胞の骨芽細胞への分化を促進します。二相性リン酸カルシウム スキャフォールドの β-リン酸三カルシウム含有量の増加に伴い、スキャフォールドの細胞骨形成分化を促進する能力が向上します。ケイ酸カルシウム/β-リン酸三カルシウム スキャフォールドのシリコンの放出により、骨様細胞による骨形成因子の合成が促進され、細胞の骨形成分化が促進されます。リン酸二ケイ酸カルシウムは血管の増殖と再生を促進します。バイオセラミックスは、海綿骨と同様の圧縮強度と優れた骨誘導能力を備えていますが、高温環境で印刷する必要があり、印刷中に骨形成を促進する生理活性分子や抗感染薬を同時にスキャフォールドにコーティングすることはできません。同時に、非常に脆く、靭性が低く、せん断応力が弱いという欠点があります。現在、バイオセラミックスの 3D プリントに関する研究は、硬組織のプリントに限られています。 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。

バイオガラス材料は分解性があり、生体活性があり、骨組織の再生を誘発できるため、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があります。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、一定期間後に取り出して研究した。その結果、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がわかった。さらに、機械実験テストにより、この人工骨は元の骨よりも優れた機械的特性を備えていることが判明した。 2011年、ワシントン州立大学の研究者らは3Dプリント技術を使い、リン酸カルシウムから骨のような構造物を印刷した。これは分解される前に新しい骨細胞の成長の足場として機能できる。この実験は動物で成功し、満足のいく結果が得られた。バイオグラスの優れた生体適合性と、精密成形、迅速な製造、パーソナライゼーションなどの 3D プリントの多くの利点を組み合わせることで、組織工学の足場材料やパーソナライズ医療の分野で新たな進歩が確実に達成されるでしょう。

上記の医療用セラミック材料は高温条件下で加工・成形する必要があるため、医療用セラミック材料の 3D プリント加工は通常、次の 2 つの段階に分けられます。
1. セラミック粉末を低融点のバインダーと均一に混合した後、設計されたモデルをレーザー照射下で焼結しますが、この時点でのモデルはバインダーの作用下でセラミック粉末を結合しただけであり、機械的特性が悪く、アプリケーション要件を満たすことができません。

2. レーザー焼結後、セラミック製品をマッフル炉に入れて二次焼結する必要があります。セラミック粉末の粗さと使用するバインダーの量は、セラミック製品の性能に影響します。セラミック粉末が細かいほど、二次焼結中に粒子の成長が促進され、セラミック層の品質が向上します。バインダーの使用量が多いほど、レーザー焼結プロセスは容易になりますが、二次焼結中に部品が収縮して大きくなり、製品が寸法精度要件を満たせなくなります。二次焼結プロセスの温度制御も、3D プリントされたセラミック製品の性能に影響します。

2.3 医療用ポリマー材料

近年、バイオメディカルポリマー材料は最も急速に成長しているバイオメディカル材料として浮上しています。生体医療用ポリマー材料の開発は、当初は既製のポリマーを単純に使用していたが、合成反応を利用して分子レベルで特殊な機能を持つポリマーを設計・合成する方向に進化した。現在、研究は新たな段階に入っており、損傷した人体組織の再生と修復を積極的に誘導・刺激できるタイプの生体活性物質の発見が話題となっている。 3D プリント用ポリマー消耗品は、特殊な処理が必要であり、接着剤や光硬化剤の添加が必要であり、材料の硬化速度と硬化収縮率に対する要件も非常に高いです。印刷技術によって材料に対する要件は異なりますが、いずれも材料形成プロセスが高速かつ正確であることが必要です。材料を高速かつ正確に形成できるかどうかは、印刷の成否に直接関係します。バイオメディカル材料は生物系と直接相互作用するため、さまざまな物理的および化学的特性の要件に加えて、バイオメディカル材料は優れた生体適合性を備えている必要があります。バイオメディカル材料の開発は、他の機能性材料の開発よりも厳格な審査プロセスがあるため、バイオメディカル分野で使用するための3Dプリントポリマー材料の研究は始まったばかりです。

韓国の浦項工科大学の Cho らは、PPF を原料として、ステレオリソグラフィー (SLA) 技術を使用して多孔質スキャフォールドを作製しました。このスキャフォールドは人間の海綿骨と同様の機械的特性を持ち、線維芽細胞の接着と分化を促進することができます。さらに、PPFスキャフォールドをウサギの皮下または頭蓋骨欠損部位に移植した実験結果では、PPFスキャフォールドは、移植後2週間で炎症細胞の出現、血管新生、結合組織形成などの動物の軽度の軟組織および硬組織反応を引き起こし、8週間後には炎症細胞の密度が減少し、より規則的な結合組織が形成されることが示されました。従来の組織工学スキャフォールドと比較して、3D プリントされた組織工学スキャフォールドは、形状、サイズ、細孔構造、多孔度に関して任意に設計できます。研究者は、さまざまな組織の修復要件に応じて、印刷するスキャフォールド構造を選択できます。 Paulius Danilevicius らは、レーザー 3 次元印刷技術を使用して 3 次元多孔質ポリ乳酸 (PLA) 組織工学スキャフォールドを作製することに成功し、スキャフォールドの多孔性が細胞接着、成長、再生などの生理学的特性に与える影響に関する一連の研究を実施しました。


研究結果によると、スキャフォールドモデルを準備する過程で、3Dプリント技術は任意の空洞と多孔性を持つPLA組織工学スキャフォールドを任意に製造でき、研究者は必要なモデルを簡単に入手できることが分かりました。その後、さまざまなモデルについて一連の細胞生物学的特性を特徴付け、スキャフォールドの空洞と多孔性が細胞の接着と成長に大きな影響を与えることがわかりました。結果を分析して比較した後、組織工学スキャフォールドに最も適したモデルが得られました。また、3D プリントによって作成された PLA スキャフォールドが骨組織工学で広く使用されることが期待されていることも証明されています。 医療用ポリマー印刷材料は加工特性が非常に優れており、さまざまな印刷モードに適用できますが、その中で最も広く使用されているのは熱溶解積層印刷と UV 硬化印刷です。熱溶解積層法では熱可塑性ポリマー材料を使用します。現在、研究者の間で最も人気のある材料は、PLA や PCL などの分解性脂肪族ポリエステル材料です。原材料は、印刷用のフィラメントに引き伸ばすだけで済みます。印刷材料の準備プロセスは簡単で、通常、印刷添加剤を加える必要はありません。 UV 硬化印刷では、ポリマーモノマー、プレポリマー、光（感光性）硬化剤、希釈剤などを含む液体感光性樹脂を使用します。液体樹脂の組成と光硬化の程度は、印刷された製品の性能、特に医療製品の生体適合性と生体活性に影響を与えます。

2.4 複合生体材料

複合材料とは、ミクロまたはマクロの形態で異なる物理的構造または異なる化学的性質を持つ2つ以上の物質から構成される材料、または連続相マトリックスと分散相強化材料から構成される多相材料を指します。このような材料は、人工臓器、修復、理学療法およびリハビリテーション、診断、検査、および病気の治療などの医療およびヘルスケアの分野で使用され、生体適合性が優れているため、複合生体材料と呼ばれています。 Falguni Patiらは、マルチノズル3DP技術を使用してPCL/PLA/β-TCP複合生体材料スキャフォールドを印刷することに成功し、hTMSCs細胞をスキャフォールドに移植して2週間培養し、hTMSCs細胞の成長中に分泌された細胞外マトリックスがスキャフォールドに付着できるようにしました。次に、脱細胞化実験を行ってスキャフォールド上のhTMSCs細胞を除去し、細胞外マトリックスを保持し、生物学的活性を有するPCL/PLA/β-TCP/ECM多成分複合生体材料スキャフォールドを得ました。このスキャフォールドの材料は、他の材料の長所を生かし、自身の短所を補うことができます。コンポーネントは互いに補完し合い、骨組織工学材料の機械的要件を満たすだけでなく、バ​​イオミネラリゼーションプロセスも促進します。 ECMには骨細胞の成長や分化を制御するさまざまな因子も含まれており、骨組織工学の足場材料の研究における新たな方向性となることが期待されています。


同時に、Falg uniPatiらは3D脂肪組織工学の研究も行いました。第1グループはPCLをフレームとして、脱細胞化脂肪組織をインクとして使用し、PCLフレームに特定の形状と穴を備えた3次元の脱細胞化脂肪スキャフォールドを印刷してマウスに移植しました。第2グループは脱細胞化脂肪組織を直接使用して標的細胞を充填してゲルを作成し、3D印刷技術を使用して事前に準備されたPCLフレームにゲルを印刷し、一定期間の体外培養後にマウスに移植しました。研究では、これら 2 つの方法を使用して作成された組織工学スキャフォールドは生体適合性が良好で、マウスで培養して必要な脂肪組織を成長させることができることが示されました。一般的に、第 2 グループのテスト データは第 1 グループよりも優れています。 3D 印刷技術は、さまざまな材料を組み合わせて印刷することができ、各コンポーネントが互いに補完し合い、組織工学の分野で独自の利点を持っていることがわかります。 単一成分または構造化された生体材料と比較して、複合生体材料の特性は調整可能です。 3Dプリントを使用して単一のバイオマテリアルで製品を作ることには一定の欠点があるため、2つ以上のバイオマテリアルを有機的に組み合わせます。複合材料のコンポーネントは、性能の相対的な独立性を維持するだけでなく、互いに補完し、構成を最適化し、単一の材料の適用の欠点を大幅に改善します。ただし、物理的および化学的特性に大きな違いがある2つの材料の場合、印刷方法を使用してそれらをうまく統合し、組み合わせの最大の利点を十分に発揮する方法も、現在の研究のホットスポットの1つです。

2.5 細胞を含んだ生物学的3Dプリント材料

予備研究として、科学者たちは多くの3Dプリントされた足場と細胞の共培養を試み、細胞がさまざまな3Dプリントされた足場上で生存できること、そしてその効果が通常の2次元培養よりも優れていることを証明しました。 3D プリントされた PCL スキャフォールドは、さまざまな細胞と共培養できることが示されており、これは細胞と材料を「バイオインク」に混合し、生物組織を一緒にプリントするための優れた基盤となります。しかし、これは細胞と材料の2次元的な相互作用に過ぎず、細胞は印刷システムに直接配置されているわけではないため、細胞の直接的な関与がない場合にのみ生物学的3D印刷と呼ぶことができます。細胞が直接関与する生物学的3Dプリンティングは、生物学、医学、材料科学、コンピューター科学、分子生物学、生化学など、複数の分野の原理と技術を活用する必要がある学際的なスーパーテーマです。その中でも、印刷材料の選択は、緊急に克服する必要がある困難の1つです。ハイドロゲルは、ポリマーと媒体の3次元架橋ネットワーク構造で構成された多成分系であり、新しいタイプのバイオメディカル材料として研究者から広く注目を集めています。医療用ハイドロゲルは生体適合性に優れ、その性質と組成は細胞外マトリックスに類似しています。表面のタンパク質や細胞に付着する能力は弱く、基本的に細胞の正常な代謝プロセスに影響を与えません。ハイドロゲルの存在により、細胞を保護し、細胞接着を拡大し、臓器を形成することができます。


したがって、ハイドロゲルは細胞をカプセル化するための第一の選択肢になります。医療用ハイドロゲル、生物学的架橋剤（方法）、および生体細胞が組み合わさって、生物学的 3D プリントに必要な「バイオインク」を構成します。米国のコーネル大学の研究者らは、3Dバイオプリンティング技術を用いて、I型コラーゲンハイドロゲルと生きたウシの耳細胞で構成された「バイオインク」を使って人間の耳介を印刷することに成功した。この耳介は、機能的にも外見的にも、普通の人の耳介と非常によく似ています。その後の培養プロセスでは、コラーゲンハイドロゲルは細胞とよく相互作用し、ゆっくりと分解されて、細胞自体によって合成された細胞外マトリックスに置き換えられました。次に、患者自身の耳の細胞を使って人工の耳介を印刷し、移植する。このニュースは、医療整形外科業界の将来について終わりのない憶測を引き起こした。

現在医療現場で使用されている人工耳介は、主に次の 2 つのカテゴリに分けられます。
一つは人工の軟骨のような素材で作られており、その質感が人間の耳とは全く異なるという欠点があります。
2 つ目の方法は、患者の肋骨軟骨の一部を切除して新しい耳介を「彫る」方法です。この方法は患者にかなりの身体的損傷を与えるだけでなく、医師の「彫る技術」によって見た目や実用性も大きく制限されます。



3D バイオプリンティング技術を使用して作られた人工耳介には、上記のような懸念はありません。 臓器の3Dプリントは、科学者がずっと追い求めてきた夢の一つです。現在、臓器プリントはコンセプト株として大々的に宣伝され、多くの注目を集めています。しかし、3Dプリントはまだ初期段階にあり、解決すべき問題がまだ多く、特に複雑な臓器の3Dプリントはさらに大きな課題を提示しています。材料と調節細胞の秩序ある組み合わせ、臓器内の血管の構築、神経系の構築に対する成長因子の適合性は、臓器プリントにおいて解決するのが最も難しい問題です。 3Dプリント装置により、生体適合性細胞、足場材料、成長因子、シグナル分子などがコンピュータの指示に従って層ごとに印刷され、生理機能を備えた生体器官を形成し、修復または置換の目的を達成します。バイオメディカル分野で非常に幅広い用途と展望を持っています。近年、3Dプリント技術は急速に発展し、骨、血管、肝臓、乳房の構築において一定の成果を上げていますが、複雑な臓器の機能を実現するにはまだ遠い道のりです。

要約する
3D プリント技術の発展は新興技術となり、医療への応用がますます顕著になってきています。まず、3Dプリント技術は組織の損傷や臓器不全の困難を効果的に克服します。各人の固有の組織と臓器はいつでも活性化することができ、これは各人の組織と臓器の予備システムを確立することと同じです。第二に、表皮の修復と美容への応用のレベルがさらに向上します。印刷精度と材料の適応性が向上するにつれて、体の組織をより細かくトリミングして統合できるようになり、より美しい人間の特徴を作り出すのに役立ちます。最後に、3D プリンター機器がますます普及するにつれて、緊急事態では、3D プリンターを使用してカテーテルや手術器具などの医療用品を製造することもできます。これにより、医療用品のパーソナライズ化が促進されるとともに、調達のリンクと時間が短縮され、医療用品の不足の問題が一時的に解決されます。

したがって、 3D プリント技術の今後の発展傾向は、3D プリント速度の向上、より多様な 3D プリント材料の開発、3D プリンターの小型化、コストの削減、およびより多くの業界での応用の継続的な拡大に反映されるでしょう。現在、バイオメディカル分野における3Dプリンティングの研究は春雨後の筍のように急増しており、3Dプリンティング技術はバイオメディカル材料、特に組織工学の足場材料の製造において多くの成果を上げています。しかし、バイオメディカル材料の3Dプリントはまだ非常に新しい分野であり、さまざまな研究はまだ初期段階にあります。3Dプリントバイオメディカル材料の臨床応用を真に実現するには、まだ長い道のりと大きな課題が残っています。材料の研究開発は3Dプリント技術の発展を制限しており、3Dプリントに適したバイオメディカル材料の研究開発は、今後研究のホットスポットとなるでしょう。 3Dプリントバイオメディカル材料の研究開発が難しい主な理由は、臨床上、材料のさまざまな特性に対する要求が非常に高いためです。材料の選択は多くの要因によって制限されます。印刷前後の材料の安全性、生体適合性、分解性能、生物学的応答性などを考慮する必要があり、材料が産業化の要件を満たすことができるかどうかも考慮する必要があります。そのため、3Dプリントバイオメディカル材料の研究開発は大きな課題に直面していますが、同時に、手順と機械の面で3Dプリント技術が急速に発展するにつれて、多くの機会も生まれています。 3D プリントされた生体医学材料に関する今後の研究では、よりプリント可能な生体材料の開発に重点を置く必要があります。

理論的にはあらゆる材料を印刷できますが、実際にはバイオメディカル分野で使用されている印刷材料はほんの一握りです。優れた特性を持つ一部の材料は、印刷前後の収縮が大きい、材料に含まれる添加物が生物に有害である、印刷後に強度が低下するなどの理由でバイオ材料の使用要件を満たすことができないため、3Dプリントバイオ材料のランクから除外されています。したがって、これらの廃棄材料の印刷問題を克服し、優れた性能を持つ 3D 印刷バイオマテリアルをさらに開発するには、さまざまな物理的および化学的改質方法を使用する必要があります。これにより、臨床応用の選択肢が増えるだけでなく、印刷コストもある程度削減されます。 組織工学用足場材料の研究開発。 3Dプリント技術は、印刷された製品の空間構造を任意に設計することができます。この3Dプリントの利点と組織工学の概念を組み合わせることで、特定の組織に最適な組織工学スキャフォールドを設計することができます。材料選択の面では、細胞外マトリックスに近い性能を持つ材料がより人気があるため、より多くのバイオニック、分解性、生体活性の 3D プリント組織工学スキャフォールド材料を開発する必要があります。

3D テクノロジーと組織工学を組み合わせることで、生物組織や臓器の再構築に関する新たな研究分野が開拓されます。 「バイオインク」による3Dプリント生体材料の研究開発。組織や臓器の原位置 3D プリントを実現することは、科学者が長年夢見てきたことです。現在の技術レベルでは、体外で外観はあるものの機能が備わっていない組織や臓器を印刷できる程度にしか達しておらず、印刷材料が課題の 1 つとなっています。適切な機械的特性、良好な生体適合性、生物活性を備えたバイオプリント材料を開発し、それらを生体細胞、バイオ架橋剤（方法）、シグナル分子と組み合わせて「バイオインク」を形成します。臓器の3Dプリントに現在存在する多くの問題を解決し、3Dプリントが真に人類に利益をもたらすための基盤を築くよう努めます。 さらに、印刷材料と細胞、組織、血液との適合性に関する研究も重要なポイントの一つです。材料科学の発展に伴い、バイオプリンティング材料に対する要求はますます厳しくなっています。プリンティング材料は安全で無毒であるだけでなく、足場として機能しなければなりません。また、物質とエネルギーの自由な交換、細胞の活動、組織の3次元構築を確保するために、特定の生物学的機能を備えていることも求められます。そのため、印刷物の生体適合性に関する研究は不可欠です。


著者: Luo Wenfeng、Yang Xuexiang、Ao Ningjian (済南大学バイオメディカル工学部、広東省教育庁バイオマテリアル重点実験室)
さらに読む: 3D プリントされた血管をサルに移植した後、Blue-ray Inno は 2017 年に人間への臨床移植を開始する予定です。浙江大学の He Yong 教授: クロススケールの血管構造の生物学的 3D プリントは素晴らしいです!米国の大学が5mmの大きな血管網を3Dプリントし、動物に移植することに成功した。
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