ハイドロゲル微粒子バイオインクに基づく押し出しバイオ3Dプリンティング

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

ハイドロゲル微粒子は、ほとんどの柔らかい生体材料の 3D 印刷を可能にする、新しいタイプのバイオインクです。しかし、印刷ノズル内でのハイドロゲル微粒子の詰まりや流れのメカニズムは十分に調査されていません。テキサス A&M 大学の Daniel L. Alge 氏と Akhilesh K. Gaharwar 氏のチームは、ハイドロゲル微粒子の特性を解明し、印刷装置がハイドロゲル微粒子インクの流れに与える影響を実証しました。関連論文「押し出しバイオプリンティング用の新しいクラスのバイオインクへのハイドロゲル微粒子の一般化」が最近、「Science Advances」誌に掲載されました。

研究チームは、ポリエチレングリコール (PEG) ハイドロゲル粒子をバイオインクとして使用し、ノズル内のハイドロゲル粒子の流れのメカニズムを研究しました。研究チームは、フィラメント押し出しテストに 3 つの異なるサイズのハイドロゲル粒子と 2 つのノズル形状を使用しました。結果は、精密チップノズルはヘッド径の大きな変動のため、ハイドロゲル微粒子バイオインクの印刷には適していないことを示しています。ノズルとハイドロゲル微粒子の直径の比率を変えることで連続印刷が可能になります。

図 1 ハイドロゲル微粒子フロー印刷プロセス図 2 ハイドロゲル微粒子バイオインク印刷には、低抵抗と大口径のノズルが必要次に、研究チームは印刷の忠実度を調査し、その結果、より小さな直径のハイドロゲル粒子とより小さな直径のノズルが印刷の忠実度の向上につながることが示されました。

図 3 ハイドロゲル微粒子の印刷忠実度。その後、研究チームはハイドロゲル微粒子の機械的特性が印刷安定性に与える影響を調査しました。その結果、より高い応力と抵抗を受けるとハイドロゲル微粒子がより密集し、印刷品質が向上することがわかりました。

図 4 ハイドロゲル微粒子の機械的特性が変形と印刷安定性に与える影響。最後に、研究チームは印刷プロセスがハイドロゲル微粒子に封入された細胞に与える影響を調査しました。結果から、せん断応力が高くなると細胞の活動に影響するため、印刷性と細胞生存率のバランスを取る必要があることがわかりました。

図 5 ハイドロゲル微粒子の機械的特性は、カプセル化された細胞の生存率に影響します。要約すると、研究チームはハイドロゲル微粒子の内部機械的特性と流動抵抗を注意深く研究しました。高い印刷性には小径ノズルと小径ハイドロゲル微粒子が必要であり、高い細胞生存率には大径ノズルと大径ハイドロゲル微粒子が必要です。この結論は、さまざまな材料構成を持つハイドロゲル微粒子のバイオインクシステムに拡張でき、ハイドロゲル微粒子の印刷性が向上し、3D バイオプリンティングへの応用が促進されます。

出典: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3087

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