時空間制御を備えた3Dプリントバイオニックスキン

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

生物医学工学の分野では、科学者たちは人間の組織をより効果的に修復する方法を研究してきました。 3D プリント技術による人体組織のシミュレーションと再生は、非常に有望な解決策として見られています。高精度、カスタマイズ性、材料の多様性を備えた 3D プリント技術は、バイオメディカルエンジニアリングの分野に革命的な変化をもたらしました。

最近、浙江大学の謝志堅氏と何勇氏のチームは、近接場直接描画技術（MEW）で作製されたPCL膜、GelMAとHAMAで配合されたGHゲル、多血小板血漿（PRP）を充填したHAMAゲルを含むバイオニックスキンを設計・開発しました。構造バイオニクスと生理バイオニクスを通じて、時空間調節を利用して広範囲の傷の早期治癒を促進します。バイオニックスキンの生体内治療効果は、ラットの皮膚欠損モデルを構築することによって評価されました。

当該研究成果は、「傷の修復を加速する時空間制御可能な生体模倣皮膚」というタイトルで、2024年2月22日に「Small」誌に掲載されました。

図1 バイオニックスキンの構成と機能の模式図
1. 求心性PCL膜は表皮に強度を与え、細胞分化を促進します<br /> 末梢から中心への自然な創傷治癒プロセスを考慮して、細胞の移動を誘導する求心力のある機械的指数を持つ膜が設計されました。 MEW テクノロジーは、皮膚の角質層をシミュレートするこのマルチスケールのトポロジカルフィルムを印刷するために使用されます。膜は、細胞接着のための無秩序な密な繊維 (≈10 μm)、求心性の機械的指数を提供する求心性のスポーク繊維 (50 μm)、およびカプセル化と縫合力のための円周フレームワーク繊維 (500 μm) で構成されています。

PCL 膜の製造プロセスと最終製品を図 2A.B に示します。引張応力-ひずみ実験により、円周フレームを備えた PCL 膜は優れた機械的特性を示すことが実証されました (図 2.C)。不死化ヒトケラチノサイトを使用した生物学的実験により、内部に求心性スポークを持つ PCL 膜が細胞接着を促進し、細胞移動を誘導し、細胞分化を促進できることが確認されました (図 2.DH)。

図2 PCL膜の物理的特性と生物学的機能の探索
2.GHハイドロゲルは真皮として機能し、細胞を運び放出します。<br /> 通常 3 ～ 5 日間続く炎症反応の間、生体材料はそれらが運ぶ細胞を保護する必要があります。末梢環境が穏やかになると、つまり炎症期の終わりには、生体材料は時間内に分解され、細胞を放出し、細胞の増殖と機能が妨げられないようにする必要があります。 GH ハイドロゲルの主成分である GelMA は柔らかく、容易に分解されます。少量のHAMAをGelMAに混合すると、GHハイドロゲルの劣化が遅くなり、機械的強度が向上します（図3.A）。

物理的特性評価のために、さまざまな濃度の GH ゲルを調製しました (図 3.BD)。 HAMA の濃度が増加するにつれて、GH ゲルの機械的強度が増加し、膨潤曲線には有意差が見られませんでしたが、分解時間には有意な差がありました。 5% GelMA + 0.25% HAMA ゲルは 4 日目に急速に分解し始め、7 日目に分解を完了しました。これは基本的に創傷修復中の炎症期の時点と一致していたため、GH ゲルの最終濃度として選択されました。そして、その優れた生体適合性は実験によって確認されました（図 3.E、F）。

図3 GHゲルの物理的特性と生物学的機能の探索
3. HPハイドロゲルは皮下組織層の細胞に栄養を与え、その移動を促進します。
材料を移植した後の初期段階では、ハイドロゲルは炎症性物質が細胞に与える影響を軽減できますが、栄養の吸収を妨げ、細胞の増殖を遅らせます。そのため、HP ゲルを使用して細胞に継続的に栄養を与えました (図 4A)。 HAMA は、傷の中でゆっくりと分解されるヒアルロン酸の改変型です。 PRPと組み合わせると、有益な生理活性因子が放出されます。 HP ゲルは、初期段階では細胞増殖の栄養源として機能しただけでなく、後期段階では細胞移動の刺激剤としても機能しました。

物理的特性評価のために、さまざまな濃度の HP ゲルを調製しました (図 4.BD)。 HAMA濃度が増加するにつれて、HPゲルの機械的強度が増加し、膨潤が減少し、分解が遅くなりました。徐放実験では、表皮成長因子（EGF）を放出指標として用い、5％HAMA＋20％PRPの放出速度が安定して適切であることが確認され、この濃度をその後のHPゲルの濃度として採用した。 HP ゲルの細胞増殖および遊走に対する効果は、細胞をゲルと共培養することによって評価され、最終的に HP ゲルがケラチノサイトの増殖および遊走を促進することが確認されました (図 4.EJ)。

図4 HPゲルの物理的特性と生物学的機能の探索
4. バイオニックスキンは内部相乗効果を発揮する<br /> バイオニックスキンは、GH ゲル層が PCL 膜に埋め込まれ、物理的に連結されて安定的に結合される、層ごとの鋳造によって構築されます。次に、405 nm の光の励起下で、GH ゲルと HP ゲルの表面に C═C 二重結合が生成され、それらがしっかりと結合されます。このバイオニックスキンにより、細胞は PCL 膜と PRP の両方から同時に刺激を受けることができます。PCL 膜は細胞の接着と分化を促進し、HP ハイドロゲルは細胞の増殖と移動を促進します (図 5.A)。

比較のために、GH ハイドロゲルのみのブランクグループ (Blank)、GH ハイドロゲルと HP ハイドロゲルを含むコントロールグループ (GHP)、PCL 膜と GH ハイドロゲル (PCL) で構成される別のコントロールグループ、および皮膚構造が損なわれていない実験グループ (MS) の 4 つのグループが設定されました。バイオニックスキンは機械的強度も優れています (図 5.B)。生物学的実験では、バイオニックスキンは求心性PCL膜とHPゲルの機能を保持しており、両者が同時に存在すると、関連する遺伝子とタンパク質が著しく高い発現を示しました（図5.CG）。結果から、PCL 膜と HP ゲルはバイオニックスキンにおいて相乗効果を発揮し、それぞれの機能を保持しながら互いの生物学的効果を増幅することが確認されました。この相乗効果により、バイオニックスキンは全体としてより包括的に機能するようになります。

図5 バイオニックスキンの物理的特性と生物学的機能の探索図6 創傷治癒を促進するバイオニックスキンの生体内実験評価
5. 創傷修復を促進するバイオニックスキンの生体内実験バイオニックスキンの有効性は、ラットの全層皮膚欠損モデルを使用して生体内で評価されました（図 6.A、B）。完全なバイオニックスキンは、PCL 膜の外枠を傷口の周囲の正常な皮膚に縫合することで身体と一体化します。欠損部とバイオニックスキンの直径の違いにより、PCL 膜は初期段階で周囲の皮膚を継続的に伸ばし、縫合糸の予張力によって創傷閉鎖を加速することができます。同時に、ハイドロゲルは生体刺激を継続的に放出し、組織の再生を促進します。したがって、バイオニックスキンは、機械的メカニズムと生物学的メカニズムを組み合わせることで、傷の閉鎖と修復を促進します。

組織学的評価はH&E染色およびマッソン染色を用いて実施した（図6.CF）。 MS 群では、肉芽組織の再生が著しく促進され、コラーゲン沈着が加速され、創傷修復が促進されました。免疫蛍光染色により、MS群の血管新生と再上皮化のプロセスが最も速いことも確認されました（図7）。

図 7 生体内実験の免疫蛍光染色結果要約すると、この研究では PCL/GelMA/HAMA/PRP バイオニックスキンを設計および開発しました。バイオニックスキンは、皮膚の構造と創傷修復の生理学的プロセスをシミュレートすることで、創傷の早期閉鎖と迅速な治癒を効果的に促進します。創傷修復の初期段階では、バイオニックスキンの膜フレームワークが、ハイドロゲル内で細胞が増殖する間に、事前張力によって創傷を閉じるのを助けます。時間が経つにつれて、フレームワークは徐々に劣化し、細胞はハイドロゲルから解放され、残った膜に沿って移動します。プロセス全体を通じて、皮下ハイドロゲルは継続的にサイトカインを放出し、傷口に総合的な栄養供給が確実に行われるようにします。この研究は、皮膚損傷の治療に新たな解決策を提供するだけでなく、組織再生工学の新たな可能性も開きます。

ソース：
https://doi.org/10.1002/smll.202310556

時空間制御を備えた3Dプリントバイオニックスキン

3Dプリントされたブラケットセットがコミュニティに送られ、「ダバイ」がIDカードをチェックするのを容易にする

ニュージーランド航空、旅客機に3Dプリントの折りたたみトレイを採用

中国原子力建設公司で原子力産業における3Dプリント技術の応用に関する技術交流会が開催されました。

HOBS 3Dがキヤノンの英国3Dプリント事業を買収

中独設備パーク：3Dプリント設計などの産業の発展に注力

お知らせ：北京理工大学の「張飛印刷」が南極の熊に定着

3D プリントのコストを削減するにはどのような方法がありますか?

BCN3D、クラウド製造プラットフォームを推進するため3Dプリントソフトウェア会社AstroPrintを買収

BIO INXとRousselotが協力し、3Dバイオプリンティングの臨床応用を推進するゼラチンインク材料を開発

マテリアライズ、第2四半期の業績を発表、売上高は3,150万ドル、米国医療分野での事業拡大計画を発表

推薦する

3Dプリント技術で数々の画期的な成果を達成したファルスーンハイテックは、2024年の「成績表」を発表した。

北米のロボットサービスプロバイダーSofosがFarsoon Flight®ソリューションとBASFの高性能材料を発表

2024年の付加製造：統合、拡大、スマートファクトリー、業界リーダーが将来の方向性を議論

Winbo、大型産業用プロトタイプ向けに特別に設計された準産業グレードのFDM 3Dプリンターを発売

世界初の3Dプリントユニバーサルカメラ「マーキュリー」が発表

エンジン部品の約35%が3Dプリントされており、GEが3Dプリント業界に火をつける

レーザー大手コヒレント社が新しいセラミック3Dプリント技術を発表、半導体熱管理システム分野に参入

新しいトレンドか、それとも誤った需要か? 3Dプリント化粧品の登場後の考察

Xihe Additive のグリーンレーザー金属 3D プリントソリューションがドイツの Formnext 2024 でデビュー

Raise3D Fuzhi Technologyは、Industrial Expoで小ロットデジタルMROスペアパーツソリューションを発表します。

河北英満科は、低コストのSLS 3Dプリンターとバイオマス材料ソリューションの専門家から大量の注文を受ける

3Dプリントで血管を備えた「生きた皮膚」を作製

中国が技術輸出を制限：「鋳造、鍛造、フライス加工の一体化」金属3Dプリント、耐高温繊維樹脂材料3Dプリント

イスラエルのCollPlantが植物コラーゲンバイオ3Dプリントインクの特許を申請