エディンバラ大学は、心血管疾患の治療を改善するために3Dプリント人工血管を開発している。

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2024年7月29日、アンタークティックベアは、エディンバラ大学とヘリオットワット大学の研究者が、ハイブリッド押し出し印刷と電界紡糸と呼ばれる技術を使用して、新しいタイプの3Dプリント血管を開発したことを知りました。これは、血流経路を変更するために現在手術で使用されている人間の静脈と人工の静脈を置き換えるように設計されています。
△3Dプリントされた血管。画像提供: エディンバラ大学のノルベルト・ラダッチ博士。
この研究は、「押し出し印刷と電界紡糸技術を用いた柔軟な血管移植片の製造」と題する論文として、Advanced Materials Technologies誌に掲載されました。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202400224
心血管疾患は依然として世界中で死亡の主な原因となっており、そのため心血管疾患の治療には小口径の血管移植片の需要が高まっています。最も顕著な心血管疾患には、冠動脈疾患、末梢動脈疾患、腹部大動脈瘤などがあります。血行再建手術（またはバイパス手術）は通常、血管カテーテルを使用して、影響を受けた動脈または閉塞した動脈の周囲に血流を再誘導して行われます。伏在静脈、内胸動脈、橈骨動脈などの自己移植片は、依然としてバイパス手術のゴールドスタンダードですが、失敗率が高く、移植片採取によってドナー部位の病的状態が生じることがよくあります。さらに、これらの自家移植片は、サイズや機械的特性の点で最適であることはほとんどありません。市販されている合成材料（ダクロンや ePTFE など）で作られたグラフトのほとんどは、大口径動脈（> 6 mm）に適しています。しかし、小径動脈の置換に使用すると、感染や内膜肥大のために失敗することがよくあります。
この目的のために、エディンバラ大学は二重層血管移植片を作成するための新しい方法を開発しました。研究者らは、ハイブリッドバイオプリンティングとエレクトロスピニングのセットアップを使用して、生来の動脈に近い生体力学的特性を示す層状移植片を作成した。
エディンバラ大学によれば、3Dプリントされた血管は人間の静脈と非常によく似た特性を持ち、心血管疾患の治療に革命をもたらすと期待されている。新しい 3D 印刷技術を使用して作られた、これらの強力で柔軟なゲル状のチューブは、現在手術中に血流の方向を変えるために使用されている人間の静脈と人工の静脈を置き換えることで、心臓バイパス手術の患者の治療結果を大幅に改善する可能性があります。
人工血管の開発は、英国で毎年約2万件実施されているバイパス手術で静脈が除去される際に生じる傷跡、痛み、感染リスクを軽減するのに役立つ可能性がある。さらに、これらの製品は、体内に組み込むのが難しい小さな人工インプラントの故障リスクを軽減するのに役立ちます。
エディンバラ大学工学部が率いる研究チームは、人工血管の製造過程で、3Dプリンターに統合された回転スピンドルを使い、水性ゲルから管状の移植片を作成した。その後、印刷された移植片は、高圧を利用して非常に微細なナノファイバーを引き出す技術である電界紡糸法を使用して強化され、人工血管内に生分解性ポリエステル分子が封入される。機械的および生物学的性能テストにより、最終製品は天然の血管と同等の強度があることが示されました。 △図1 繊維強化ゲルMAグラフト製造の概要。 a) 繊維強化ゲルMA構造の製造工程の概略図。 b) ハイブリッド印刷と電界紡糸のセットアップ。 c) 全長血管移植片。 d) 電界紡糸ナノファイバー強化ゲルMAグラフト（スケールバー：15 mm）。 e) 鉗子を使用して完全に圧縮された移植片の自己蛍光画像 (スケールバー: 2 mm)、f) 鉗子から力を除去した後、完全に回復した移植片構造 (スケールバー: 2 mm)。 g) 作製した血管グラフトの断面のデジタル画像。内側のゲルMA層と外側の電界紡糸繊維層を示しています（スケールバー：0.4 mm）。 △図2 血管グラフトの破裂圧力とコンプライアンスの測定。 a) カスタム Instron 3367 万能試験機の写真。 b) 破裂圧力試験用の試験台。 c) 破裂圧力試験中の繊維強化ゲルMAインプラント。 d) 破裂圧力試験後のインプラントの故障。 e) 移植コンプライアンス測定装置の概略図。 f) コンプライアンス測定セットアップの写真。 g) コンプライアンステスト中に 150 mmHg の圧力下で 75/25 PCL/PLCL 電界紡糸ナノファイバーによって強化された 10% gelMA 構造。 △図3 gelMAハイドロゲルのレオロジー特性と繊維強化gelMAインプラントの引張試験。 a) 26°C でのせん断速度による gelMA ハイドロゲルの粘度の変化。 b) 22、24、26 °C におけるせん断速度の関数としての 7.5% gelMA の粘度。 c) 26 °C における角周波数の関数としての gelMA ハイドロゲルの保存および損失弾性率。繊維強化 d) 7.5%、e) 10%、および f) 12% gelMA グラフトの円周方向の応力-ひずみ曲線。繊維強化 g) 7.5%、h) 10%、i) 12% gelMA グラフトの縦方向応力-ひずみ曲線。 j) 繊維強化ゲルMAグラフトの円周方向のヤング率。 k) 繊維強化ゲルMAグラフトの縦方向のヤング率。 l) 繊維強化ゲルMAグラフトの円周方向の強度。 m) 繊維強化ゲルMAグラフトの縦方向強度（***、p < 0.0001、**、p < 0.001、*、p < 0.05、NS、有意ではない）。 △図4 繊維強化ゲルMAグラフトの破裂圧力とコンプライアンスデータ。 a) PCL/PLCL繊維強化ゲルMAグラフトの破裂圧力、緑の破線は小径動脈の平均破裂圧力を示す（***、p < 0.001、**、p < 0.01、*、p < 0.05）。 b) PCL/PLCL 繊維強化ゲルMA グラフトのコンプライアンスは 7.5%、c) 10%、および d) 12% です。 e) 80～120 mmHgの圧力範囲における、天然の筋動脈と100/0 PCL/PLCL繊維で強化されたゲルMAグラフトのコンプライアンスの比較。緑の破線は、小径血管グラフトの目標コンプライアンス値を示しています。 f) 80～120 mmHgの圧力範囲における、天然弾性動脈と75/25 PCL/PLCL繊維で強化されたゲルMAグラフトのコンプライアンスの比較。 △図5 繊維強化ゲルMAグラフトの微細構造と電界紡糸ナノファイバーの濡れ性。 a) 二層繊維強化ゲルMA構造のSEM画像（スケールバー：250 µm）。 100/0 PCL/PLCL 電界紡糸ナノファイバーの SEM 画像 (b) ×500、c) ×2500、d) ×6000 の倍率。75/25PCL/PLCL 電界紡糸ナノファイバーの SEM 画像 (e) ×500、f) ×2500、g) ×6000 の倍率。50/50 PCL/PLCL 電界紡糸ナノファイバーの SEM 画像 (h) ×500、i) ×2500、j) ×6000 の倍率 (スケールバー: 20 µm)。 k) 各条件における典型的な水滴画像を含む水接触角の棒グラフ（***、p < 0.001、*、p < 0.05）。 △図6 gelMAとPCL/PLCL電界紡糸繊維の細胞適合性分析。 a) 72時間にわたるgelMAディスク上のHUVEC生存率の評価。 *** p≤0.001。 b) ガラスおよびゲルMA上で培養されたHUVECの代表的な免疫蛍光画像。VE-カドヘリン（緑）およびDAPI（青）で染色されています（スケールバー：50µm）。 c) 電気紡糸繊維に浸した培養培地に曝露した HUVEC の生存率。スキャフォールドは培養培地中で 6 日間および 12 日間培養されました。 * p ≤ 0.05、** p ≤ 0.01、*** p ≤ 0.001、NS 有意ではない。
3D グラフトは、さまざまな用途のニーズを満たすために、直径 1 ～ 40 mm の厚さで利用できます。柔軟性があるため、人体に簡単に組み込むことができます。研究の次の段階では、エディンバラ大学ロスリン研究所と共同で、動物におけるこれらの血管の使用を研究し、その後、人間を対象にした試験を行う予定だ。
エディンバラ大学工学部の主執筆者であるファラズ・ファザル博士は、「私たちのハイブリッド技術は、組織工学における管状構造の製造に新たな刺激的な可能性を切り開きます」と語った。
エディンバラ大学工学部の主任研究者ノーバート・ラダチ博士は次のように語った。「私たちの研究は、血管組織工学における長年の課題、つまり人間の静脈と同様の生体力学的特性を持つ導管の作製に取り組むものです。継続的な支援と協力により、心血管疾患患者の治療選択肢を改善するというビジョンが現実のものとなる可能性があります。」

エディンバラ大学は、心血管疾患の治療を改善するために3Dプリント人工血管を開発している。

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