異種組織構造の印刷の新たな探求！押し出しベースの同軸3Dプリント材料とプロセスの設計

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

押し出しベースの 3D 印刷 (E3DP) は、利用可能な生体材料と細胞の範囲が広く、コストが低いため、in vitro および in situ バイオファブリケーションによく使用されます。しかし、このような機能的な足場を製造することは、インクの特性の制限により困難であり、インクの特性は組織の物理化学的および生物学的特性と一致する必要があります。これを踏まえ、ハルビン工業大学の劉海涛氏は、E3DP構造インクを調製するための新しい方法を提案しました。プロセスの実現可能性はインクの調製とプロセスパラメータの最適化によって検証され、これらのインクは鋳造と 3D 印刷の統合技術によって製造されました。ノズルチャネル内のインクの流れは、数値流体力学 (CFD) シミュレーション手法を使用してシミュレートされました。これらのインクの幾何学的パラメータは、押し出された繊維の断面を分析することによって決定されました。コアシェル断面構造インクが印刷繊維に与える影響のメカニズムを研究した。対称的な断面を持つインクを例に、そのさまざまな印刷可能な構造を説明します。最後に、E3DP 用の構造化印刷材料の設計と製造のための新しいワークフローが提案され、これにより E3DP が強化され、異種組織構造の製造が容易になります。関連論文「押し出しベースの 3D 共印刷: パターン化された異種組織構造を製造するための印刷材料設計と新しいワークフロー」が、2023 年 2 月 13 日に Materials & Design 誌に掲載されました。

異種組織構造を製造するためのこれまでの研究の最終目標は、材料成分の分布を制御することであり、単一のポンプを使用してプリントヘッドを制御し、構造化されたインクを E3DP に導入することが考えられました。押し出された繊維の断面パターンの材料分布が構造インクの断面パターンの材料分布に近くなることを保証するという前提の下で、異種構造を製造するアプローチが拡張されました（図1A）。図 1B に示すように、3D プリント構造インクの準備プロセスを示します。

図 1 押し出しベースの 3D 共印刷システムとインクの準備パターン付きの金型を設計し、NX 10.0 を使用してモデル化し、コアシェルと対称断面の材料分布を持つインクを製造しました。すべての金型の最大直径は、3 mL の空のインクカートリッジに収まるように 9.50 mm に設定され、インクの準備中に取り扱いやすいように全体の高さは 65 mm に設定されました (図 2)。

図 2 ノズルが取り付けられたダイアセンブリと空のバレルの技術図。印刷インクの特性が同軸印刷の低レイノルズ数と成形性に適合していることを確認するために、構造インクの 2 つのコンポーネントが評価されました。温度を37℃から4℃までスキャンすると、損失弾性率が貯蔵弾性率に等しいことを示すデータが得られる（図3A）。せん断速度スキャンから、2つの複合ハイドロゲルの粘度はせん断速度の増加とともに減少し、せん断減粘特性を示している（図3B）。さらに、インクの機械的スペクトルを決定するために振動周波数スイープを実行し、振動ひずみスイープには 1 Hz を選択しました (図 3C)。振動ひずみスイープ試験では、両方の複合ハイドロゲルの G'' と G' は高ひずみで急激に低下し、せん断降伏の存在を示しました (図 3D)。

図 3 ゼラチン濃度の変化に応じたハイドロゲルレオロジーの特性評価インク 1 とインク 2 (図 1B) は、同一のプロセスパラメータを決定するために別々に研究されました。インク１のプロセスパラメータは図４Ａに示すように評価された。押し出し圧力と印刷速度の最終プロセスパラメータは、それぞれ 180 kPa、10 mm/s、200 kPa、12 mm/s と決定されました。図４Ｂはインク２のプロセスパラメータを示す。構造インクの 2 つの成分として、インク 1 とインク 2 がノズル内で同時に押し出されます。したがって、両方のインクのノズルの仕様と温度は同じです。押し出し圧力と印刷速度の最終プロセスパラメータは、それぞれ 160 kPa、8 mm/s、180 kPa、10 mm/s と決定されました。

図4 プロセスパラメータの評価図5Aは、r0が押し出された繊維r1/r2に与える影響を示しています。あるノズルでは、r0 の増加とともに r1/r2 値も増加します。これは、入口 1 と入口 2 の流量が固定されている場合、材料の押し出し量は断面積に比例するためです。入口 2 の構造インクのさまざまな成分が r1/r2 に与える影響を調べました。したがって、入口 1 と 2 で異なるインク組成を使用することにより、押し出された繊維の材料分布を間接的に制御できます。図5Bは、入口2のさまざまなコンポーネントがr1/r2に与える影響とその差を示しています。

図5 押し出された繊維上の構造インクr0の分析r1/r2 図6Aは、共印刷プロセス中のr1/r2の変化を示しています。 2 相インクは、滑りによって発生する摩擦力、材料界面での支持力、押し出し圧力、重力の影響を受けます。さらに、2 つの材料相間の強い相互作用力のシミュレーション条件を研究して、事前構造化インクの高さを決定し、シミュレーション結果を図 6B に示します。

図 6. 押し出された繊維に対する構造インクの効果メカニズムと、決定されたプリセットインクの高さ。対称断面コンポーネントを持つ構造インクは、押し出しベースの 3D 共印刷の多様性を示すケースとしてさらに調査されました。事前に設定された材料組成とノズルの仕様が押し出された繊維に与える影響を詳細にシミュレートしました (図 7A)。コアシェル断面を持つインクの場合、高さは押し出された繊維の質量分布に大きな影響を与えます。そのため、著者らは、異なる高さの対称断面インクが繊維に与える影響もシミュレートしました (図 7B)。

図 7 押し出された繊維 S1/S2 上の構造インクの分析図 8 に示すように、材料成分の断面パターン分布を備えた構造インクの概念に基づいて、新しい有望なワークフロー (幾何学的設計、準備、印刷プロセスパラメータの決定を含む) が提案されています。

図8 押し出しベースの3D共印刷の提案ワークフロー（構造インクの設計、準備、印刷）
図 9 に示すように、共印刷されたモデルには微細な構造と線幅があります。マイクロ流体チャネルを備えた印刷構造は、ゼラチンを溶解することによって形成できます（例：37°C のウォーターバス内）。この多孔質構造は細胞への栄養素の輸送を促進し、毛細血管の設計にも使用できます。

図 9 ゼラチンを第 2 のインクとして使用し、押し出しベースの 3D 共印刷によって作成された代表的な格子構造。この論文では、ユニークな構造インクの設計と準備方法を紹介し、E3DP プロセスの実現可能性を実証することで、押し出しベースの 3D 印刷構造インクについて報告します。断面の材料分布と高さが制御された構造インクが重要です。次に、この方法の一般的なワークフローを示します。このワークフローにより、生体内の細胞ニッチを再現するさまざまな異種構造を in vitro で直接構築できるようになります。これに基づいて、この方法の工学的再生への応用の見通しが示されています。これらの構造インクは、準備が容易で、エンジニア以外の人にも使いやすく、コストが低いために使用されています。この方法は、さまざまな異種構造を印刷できるため、ソフトロボットや柔軟なウェアラブルデバイスなどの他の研究にも応用できることを指摘しておく必要があります。

要約すると、著者らは押し出しベースの 3D 印刷による調整可能なヘテロ構造の製造に向けた最初のステップを提示しています。このアプローチは、ステレオリソグラフィー 3D 印刷の研究にも刺激を与える可能性があります。著者らは、このアプローチが詳細な足場製造の新しい道につながることを期待しており、これらの試みが疾患モデル化、組織再生、および医薬品開発のための機能化組織の in vitro 構築の進歩につながると予測しています。

ソース：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111737

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