ボクセル化された生物学的 3D 印刷技術がアルギン酸バイオインクに「バフ」を追加

ボクセル化された生物学的 3D 印刷技術がアルギン酸バイオインクに「バフ」を追加
出典: EngineeringForLife

ボクセルは、2 次元画像のピクセルに似た、3 次元空間の最小単位です。ボクセル化されたバイオプリンティングでは、ボクセルは小さな立方体または球形の粒子であり、3 次元の生物学的構造を構成する基本要素です。

ボクセル化バイオプリンティングとは何ですか?
ボクセル化バイオプリンティングは、3 次元空間内のボクセルを基本的な構成要素として使用して複雑な生物学的構造を作成する高度な製造方法です。この技術は、生物医学工学や組織工学において重要な応用の可能性を秘めています。

ボクセル化されたバイオプリンティング技術はどのようにして「バフ」ボーナスを追加するのでしょうか?
(1)精密な制御:ボクセル化されたバイオプリンティング技術により、各ボクセルの位置と体積を正確に制御できるため、特定の形状と機能を備えた複雑な3次元生物学的構造を作成できます。

(2)マルチマテリアルプリンティング:この技術は、細胞、成長因子、その他の生体分子のキャリアとなるさまざまなバイオインクを含む、さまざまな材料を処理できます。

(3)デジタルアセンブリ:ボクセル化されたバイオプリンティングでは、通常、デジタルモデルを使用して印刷プロセスをガイドします。つまり、3次元の生物学的構造をコンピューター支援設計(CAD)モデルから直接製造できるということです。

(4)バイオ製造:ボクセル化バイオプリンティング技術はバイオ製造分野の重要な分野であり、足場、薬物送達システム、組織工学用のバイオプロテーゼなどの作成を可能にします。

ボクセル化されたバイオプリンティング技術の開発により、バイオメディカル分野、特にパーソナライズ医療や再生医療において、パーソナライズされた組織代替品や薬物試験用の複雑な 3D 組織モデルの作成など、新たな可能性が開かれました。技術が進歩するにつれて、将来的にはより革新的なバイオプリンティングのアプリケーションが登場する可能性があります。


デジタル組み立て球状粒子 (DASP) 技術は、ボクセル化されたバイオプリンティングの一例であり、高粘弾性の水滴をハイドロゲルに埋め込むことで 3 次元構造を作成します。バージニア大学の Liheng Tsai 氏のチームは、DASP 2.0 テクノロジーを使用して、天然組織の特性を模倣するために重要な二重ネットワーク (DN) 構造のバイオインクを使用することで、機械的特性と調整可能性が向上したハイドロゲルを作成できます。

DASP 2.0 テクノロジーは、テトラゾール (TZ) およびノルボルネン (NB) グループを持つ PAM ポリマーを設計および合成し、添加剤なしでクリックケミストリー反応を実現してネットワーク構造を形成します。研究者らは、架橋速度論と剛性の NB/TZ 比とポリマー濃度への依存性を体系的に研究し、実験的に観察された挙動は理論モデルによって十分に説明されました。さらに、研究者らは、細胞の活動を大幅に損なうことなく、高粘弾性バイオインクのオンデマンド混合を実現するマルチチャンネル印刷ノズルを開発しました。

図1 モジュール型デュアルネットワークバイオインクで作られた球状粒子のデジタルアセンブリ(DASP)
DASP 2.0 テクノロジーでは、印刷プロセス中に押し出された液滴が降伏応力のある支持マトリックス内で均一に成長できるように、高粘度でせん断減粘性のあるバイオインクを使用する必要があります。研究者らは、せん断試験を通じて、PAM10溶液とAlg2溶液の粘度だけではDASP印刷の要件を満たすのに不十分であるが、これらを組み合わせてバイオインクを形成すると、DASP印刷に適したせん断減粘特性を維持しながら粘度が17.1 Pa·sに大幅に増加することを発見した。急速な架橋によって引き起こされる詰まりの問題を回避するために、研究者らは静的混合チャンバーを備えたデュアルインレット印刷ノズルを設計し、リアルタイムモニタリングを通じてその混合能力を検証しました。

研究者らは、DASP 2.0 テクノロジーを使用して、相互接続されながらも区別可能な二重ネットワーク ハイドロゲル粒子の単層で構成されたラズベリーのような中空球状構造の印刷に成功し、ボクセル化されたバイオプリンティングにおける DASP 2.0 の高度な機能を実証しました。さらに、研究者らは、DASP 2.0 が従来の 1 次元 (1D) フィラメントベースのバイオプリンティングに簡単に変換できることを実証しました。たとえば、相互接続されたチャネルと空隙のネットワークで構成される高度に多孔質な構造であるジャイロイド立方構造の印刷に成功しました。

研究者らは、デュアルネットワークジャイロイド構造を周期的圧縮試験にかけた結果、この構造は最大 60% の圧縮ひずみに耐えて破損せず、応力解放後に元の高さに完全に回復し、8 回の圧縮サイクルにわたって一貫した弾性非散逸挙動を示すことを発見しました。これらの結果は、DASP 印刷バイオインクが、機能的な 3 次元生物組織構造を作成するために重要な特性である、マルチスケールの多孔質構造を持つ、高度に変形可能で弾性があり、散逸しない足場を生成できることを示しています。

図2 3Dプリントされたダブルネットワーク(DN)ハイドロゲル
DASP 2.0 テクノロジーは、改良されたデュアルネットワーク バイオインクとカスタマイズされた 3 チャンネル印刷ノズルを使用することで、効率的な栄養素輸送と機械的堅牢性を備えた 3 次元マルチスケール多孔質スキャフォールドの細胞カプセル化と印刷を可能にします。 Beta-TC-6 細胞株を使用した実験では、DASP 2.0 テクノロジーは印刷プロセス中に高い細胞生存率と機能性を維持し、生体内環境で優れた長期安定性とリサイクル性を発揮できることが実証され、臨床移植や生物医学研究への応用に大きな可能性があることが示されました。

図 3 DASP 印刷されたポリアクリルアミド/アルギン酸 (PAM/Alg) 二重ネットワーク スキャフォールドの細胞適合性と生体内安定性 ヒアルロン酸/アルギン酸二重ネットワーク ハイドロゲルの細胞適合性テストでは、カプセル化された Beta-TC-6 細胞の生存率は印刷後 3 日で 80% 以上を維持することが示されました。これは、PAM/アルギン酸バイオインクの 60% と比較して大幅に改善されており、ほとんどのアプリケーションの基準を満たしています。さらに、DASP プリントされた HA/アルギン酸二重ネットワーク格子スキャフォールドをマウスの腹腔内に移植した後、30 日後に除去したスキャフォールドの完全性が確認され、これらのスキャフォールドは長期の生体内安定性を維持するのに十分な機械的強度を備えていることが示されました。これらの結果は、(A + B)/C ハイドロゲルのコンセプトが、モジュール式デュアルネットワークバイオインクを開発するための DASP 印刷の一般的な戦略を提供することを示唆しています。

図 4 ヒアルロン酸/アルギン酸 (HA/Alg) デュアル ネットワーク バイオインクの機械的特性、印刷性、生体適合性 全体として、この論文では、高い細胞適合性と機械的堅牢性を備えたデュアル ネットワーク (DN) ハイドロゲル スキャフォールドを製造するための革新的なボクセル化バイオプリンティング法である DASP 2.0 テクノロジーを紹介しています。 DASP 2.0 は、添加物を使用しないクリックケミストリーを活用し、バイオインクの架橋を正確に制御することで、3 次元空間での複雑な生物学的構造のオンデマンド組み立てを実現します。当初の PAM/アルギン酸デュアルネットワークバイオインクは細胞適合性が限られていましたが、研究者らは、生物医学的用途により適した天然多糖類であるヒアルロン酸 (HA) を導入することでこの課題を克服しました。 DASP 2.0 テクノロジーは、バイオメディカル分野に、非常に複雑で秩序だった 3 次元組織構造を作成するための新しいツールを提供し、組織工学や再生医療への応用に新たな可能性をもたらします。


ソース:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49705-z

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