上海大学は、バイオニック骨を製造するための非溶媒支援3Dプリントの新しい戦略を提案

出典: EngineeringForLife

骨組織はハイドロキシアパタイトとコラーゲン繊維で構成されています。コラーゲン繊維は、直径 0.5 ～ 20 ミクロンの束状になっており、枝分かれして網目状に絡み合っています。線維芽細胞は細胞の外側で直径 20 ～ 200 ミクロンのコラーゲン原線維に凝集し、その後、少量の接着剤によってコラーゲン繊維に結合されます。バイオニック構造を持つ人工骨を製造するための高度な付加製造技術の使用は、科学研究者の注目を集めています。通常の方法は、まず電界紡糸などの技術で繊維を準備し、次にそれを 3D 印刷用のインクと混合してバイオニック骨を製造するというものです。ただし、インクの 3D 印刷には厳しい要件があるため、繊維を過剰に追加するとインクのレオロジー特性に大きな影響を与え、印刷が失敗する可能性があります。

上海大学の尹静波教授と張坤喜氏は、復旦大学付属閔行中心病院および同済大学付属同済病院と共同で、螺旋形成溶媒中のポリ(ベンジルL-グルタミン酸)(PBLG)の自己組織化特性に基づく非溶媒支援3D印刷法を提案した。この方法は、PBLGベースの複合材料の3D印刷を実現しながら、ワンステップでバイオニック繊維構造を生成し、天然骨組織におけるコラーゲン繊維束の形成をシミュレートすることができる。研究結果は、「非溶媒支援3Dプリンティングによる生体模倣繊維性骨代替物の製造」というタイトルでAdvanced Functional Materialsに掲載されました。

図 1. 3D プリントによる生体模倣骨製造の概略図。
図2. 生体模倣繊維構造の生成。
この研究では、PBLG が有機溶媒中でナノフィブリルに自己組織化できることが初めて実証されましたが、有機溶媒を除去するとナノファイバー構造は維持されなくなります。非溶媒エタノールを導入した後、原繊維はさらに大きなサブミクロン繊維に成長し、溶媒を除去した後も繊維構造を維持することができました。この研究では、アルコールヒドロキシル基によって媒介される分子間水素結合相互作用が、PBLG 原繊維がサブミクロン繊維に成長する上で重要な要因であることも明らかになりました。ナノファイバーをサブミクロンの繊維に変換することで、少量の接着剤によってコラーゲン繊維に結合された組織内のコラーゲン原線維の特性をシミュレートできます。

図3. PBLG/nHAインクの調製。
図4. 印刷された生体模倣骨の評価。
さらに、この研究では、PBLG の濃度が高くても、非溶媒によって繊維構造の形成を誘発できることが確認されました。押し出し印刷では、より高いインク濃度が必要になることが多いため、3D 印刷の実現可能性が高まります。これを基に、PBLG 溶液をナノハイドロキシアパタイト nHA と混合して印刷インクを調製しました。ただし、PBLG ソリューションも、nHA と複合した PBLG ソリューションも印刷できません。しかし、エタノールを受容相として使用すると、つまりエタノール中で押し出すと、PBLG/nHA 複合システムは優れた印刷性を示し、nHA と PBLG 間の水素結合相互作用により、1,4-ジオキサンに溶解した PBLG と nHA の混合物は優れた押し出し性、自己支持性、可塑性を示すことが明らかになりました。同時に、印刷性と繊維構造の生成の両方を考慮するために、この研究ではインク成分を最適化し、インクで印刷しながらバイオニック繊維構造を同時に生成することを実現しました。繊維生成プロセス中に、nHA と PBLG が相互作用によって結合し、マトリックス構成の生体模倣になるだけでなく、印刷された材料に優れた機械的特性 (36.59 ± 2 MPa) を与えることも特筆に値します。過剰な nHA は PBLG と相互作用できず、材料内に応力集中を形成し、材料の機械的特性に悪影響を及ぼします。この結果は、骨組織の構造と性能の法則を理解するのに役立ちます。

図 5. PBLG/nHA インクの全方向 3D プリント。
最後に、重力による層ごとの積み重ね印刷の崩壊の欠点と、印刷性能とバイオニックファイバーの調製との間の矛盾をさらに克服するために、この研究では、全相印刷を実現し、印刷ウィンドウを拡大するための支持浴としてエタノールゲルを調製しました。繊維構造による細胞移動効果と優れた機械的サポートにより、骨代替品としての可能性が広がります。本研究で提案された新しい非溶媒支援 3D 印刷製造戦略は、希薄溶液の繊維への自己組織化の限界を打ち破り、PBLG ベースの材料の 3D 印刷とバイオニック繊維構造の構築を実現し、バイオニック材料の大規模製造に大きな可能性を示しています。

参照: https://doi.org/10.1002/adfm.202419464

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