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

南昌大学第一付属病院整形外科病院：脊椎手術における3Dプリントの応用

『X-メン』の悪役アポカリプスのコスチュームはなんと3Dプリントされていた！

3Dプリント金属材料：アルミニウムおよびアルミニウム合金材料

3Dプリントされた狭プロファイル高トルク油圧ツールホルダーは、クランプ技術における画期的な進歩です。

IDTechEx の分析: 3D プリント複合材は今後 10 年間で 20 億ドル規模の産業になる

3Dプリントによる偽造防止技術が新たな進歩を遂げ、透かしが著作権保護の新たなトレンドとなっている

驚くべき甲骨文字丨3Dプリントで甲骨文字の立体的な美しさを表現

Padics は Forward AM と提携し、3D プリントによるサーフペダルの大量カスタマイズ生産の先駆者となる

Shi Yusheng教授のトップジャーナルレビュー：付加製造技術とメタマテリアルの開発動向！

超音波フェーズドアレイ技術を使用して複合構造の内部損傷を評価する

推薦する

連続繊維複合材3Dプリント技術の応用と展望

多面的なサービスを提供するAdditive Cloudは、多くの3Dプリント企業と戦略的提携を結んでいます。

ナノディメンションとの合併が失敗すればデスクトップメタルは「致命的な危機」に直面する

ポリライト：金属3Dプリント材料の拡張に10億元を投資、生産能力は年間3,000トンに

Desktop Metal は X25Pro をアップグレードして TurboFuse 接着剤に対応し、加熱をなくし、印刷速度を 50% 向上しました。

OqtonはSinfeng 3Dのデジタルアップグレード開始を支援し、3Dプリントにおける「少量多ロット」の問題を解決

大手企業はパーソナライズされたプラットフォームに取り組んでおり、3Dプリント業界に新たなトレンドが生まれている

AIは3Dプリントなどの製造業に力を与え、業界全体の競争環境を再構築します。

【レビュー論文】バインダージェット3Dプリントにおける欠陥の種類、形成メカニズム、影響、除去方法

3Dプリントされたチタン製自転車ハンドルバーがオリンピックに初登場

分析！インプラント医療機器における3Dプリント技術の応用

3Dプリント義手が火傷で手足を失った少年に再び笑顔をもたらす

3D プリントされた摩擦ナノジェネレーターがあれば、ウェアラブルデバイスの電力切れを心配する必要がなくなります。

国務院は「第13次5カ年計画」国家科学技術革新計画を発表した。南極クマは積層造形3Dプリント業界について6つの質問をした。

3D プリントウェアラブルデバイスのリーダーです。 Unyq は切断患者が障害から解放されるよう支援します