マイクロゲル二相性インクバフが灌流血管ネットワーク心室モデルのバイオプリンティングの問題を解決

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

機能的な組織や臓器を体外でオンデマンドで作成することは、バイオ製造の大きな目標です。バイオ 3D 印刷技術は、細胞を含んだハイドロゲルを層ごとに正確に堆積できることから広く注目を集めていますが、特定の臓器の外部形状と内部構造 (血管など) を同時に複製する能力は、依然として最大の障害の 1 つです。

最近、清華大学機械工学部バイオ製造センターの熊卓のチームは、マイクロゲル二相性インク（MB）のせん断減粘性と自己修復特性に基づく段階的懸垂式3D印刷戦略（SPIRIT）を提案し、灌流可能な自由形状血管網を備えた心室モデルの確立に成功しました。関連研究は、2023年2月16日に「自由形状血管網を備えた複雑な臓器のエンジニアリングのための埋め込み型3Dバイオプリント機能の拡張」と題してAdvanced Materialsに掲載され、複雑な組織工学のパラダイムを変え、人工組織の生物医学的応用を加速する大きな可能性を示しました。
図1 印刷原理
MB バイオインクは、マイクロゲルとハイドロゲルの前駆体で構成されています。マイクロゲルは、フローフォーカシングマイクロ流体デバイスによって生成され、サイズは約 215 μm、変動係数 (CV) は 2.5% 未満で、非常に均一な粒子サイズ分布を示しています。その間にある水性媒体をさらに遠心分離で除去し、ハイドロゲル前駆体と混合した後、再度遠心分離して余分な液体を除去し、このプロセスを数回繰り返してMBバイオインクを得た。 MB バイオインクは、通常のフィラメントが切れることなく 5 cm 垂直に伸び、優れた印刷性能を示しました。このインクはiPSC培養にさらに使用され、生体適合性が調査されました。培養された細胞は分化後に心臓のような鼓動を生み出すことができ、臓器特異的な組織生成の可能性を実証しました。

図 2 MB の準備とパフォーマンス特性代表的な例として、研究者らはさらにこのインクを使用して、Carbopol 懸濁液媒体で完全な心臓、開いた空洞、気管支モデルを印刷しました。印刷された開いたチャンバーは漏れることなく青いインクで満たされており、すべての方向でフィラメント間の相互接続が緊密であることが示されました。 MBバイオインクは3Dプリント後に超弾性を示し、周期的圧縮および引張耐久性に優れています。プリントされた構造の機械的特性は、周期的伸張によってさらに評価されました。構造は約40％の歪みに耐え、弾性的に回復することができ、これにより、プリントされた層間の機械的融合の堅牢性が検証されました。

図 3 印刷性能は、犠牲インクを MB バイオインクに書き込むことで、灌流可能な組織構造を作成できることを示しています。研究者らはまず、灌流用の入口と出口が 1 つずつあるカスタム形状の透明型を作成し、MB バイオインクを懸濁媒体として充填し、ゼラチンを犠牲層インクとして使用して分岐チャネルをその中に印刷しました。次に、MB バイオインク懸濁媒体を光架橋し、温度を 37°C に上げて犠牲ゼラチンを除去し、チャネルを生成しました。結果として得られたチャネルは、灌流可能性を実証するために、青色インクでさらに灌流されました。さらに、研究者らは、HepG2細胞をGelMAマイクロゲルに高密度（4×107細胞/ml）で封入し、さらにHepG2を搭載したMBバイオインクを調製し、肝臓組織に灌流可能なチャネルを印刷しました。

図 4 懸濁媒体として使用される MB バイオインク上記の戦略に基づいて、研究者は 5wt% GelMA MB バイオインクを使用して、らせん状のフィラメントが埋め込まれた管状構造を印刷することに成功しました。懸濁媒体と犠牲インクを除去した後、らせん状のチャネルのサイズは印刷されたデザインに近くなり、複数の構造が非常に類似したサイズを示し、CV は 2.5% 未満でした。これは、SPIRIT が高忠実度と再現性を備えていることを示しています。

図5 螺旋状フィラメント管状構造の印刷この戦略の印刷可能性を十分に開発するために、研究チームは相互樹木吸引アルゴリズムを借用して樹木のような血管ネットワークを設計し、新生児ラット心室心筋細胞（NRVC）を使用して心筋細胞を搭載したMBバイオインクを調製し、灌流可能な血管ネットワークで心室構造をスケーリングする実現可能性をさらに評価しました。結果は、印刷された血管ネットワークが体外培養中に心室組織の生存率を大幅に促進することを示し、生物医学的用途（臓器印刷など）におけるこのアイデアの実現可能性と実用性を証明しました。

図6 灌流可能な心室構造による印刷記事の出典:
https://doi.org/10.1002/adma.202205082

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