音声付きで印刷しますか? --音響支援3Dプリントの研究の進展

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

1989 年に Elrod らが音響と 3D プリントの組み合わせを初めて開発して以来、音響支援 3D プリント技術の概念が生まれ、継続的に発展してきました。他の印刷方法と比較して、音響液滴吐出に基づく非接触液体処理方法は、生物学的サンプルに適用された場合に相互汚染を回避できます。同時に、この印刷方法はノズルの制限をなくすことができ、ノズル詰まりなどの問題も発生しません。さらに、超音波定在波と音響ベースのバイオプリンティングをマイクロ流体に適用して、粒子や細胞の操作を実現することもできます。音響 3D 印刷法は、層ごとに印刷することで 3 次元構造を製造し、組織工学、再生医療、薬理学研究、ハイスループットスクリーニングアプリケーションの分野で幅広い応用が期待されています。誰もが関連コンテンツを学習できるように、EFL は、参考として音響支援 3D プリントに関連する 3 つのレビューと 6 つの研究論文を特別にまとめました。

1. ソフトマター：音響液滴印刷技術とシステムのレビュー; 2021.2.10
音響液滴ベースの印刷方法には、精度とデータの再現性の向上、コストの削減、作業時間の短縮、無駄の排除などの利点があります。音響液滴プリンティング (ADE) は、合成生物学、遺伝子型判定、個別化医療、次世代シーケンシングなどのアプリケーションにおいて、従来の吸引および分配液体処理ロボットに徐々に取って代わりつつあります。このレビューでは、音響液滴排出システムの設定と、音響液滴生成、流体井戸の最適設計、液滴の凝集、電力制御など、各部分の主要技術に焦点を当てています。これらの技術の利点と欠点について議論し、音響液滴吐出技術の将来の発展方向を予測します。
出典: https://doi.org/10.1039/D0SM02193H

2. バイオマイクロ流体工学：表面弾性波駆動液滴吐出技術のマイクロ流体工学への応用; 2020.12.09
表面弾性波技術は、細胞選別、マイクロ流体ポンピング、粒子の集束と分離、液滴印刷など、マイクロナノスケールでの流体と粒子の強力な制御と駆動機能を実現します。表面弾性波技術を駆使した液滴印刷技術は、構造がシンプルで、製造障壁が少なく、サイズがコンパクトで、非接触操作が可能という利点があります。このレビューでは、SAW 技術と流体間の理論的相互作用メカニズム、SAW マイクロ流体印刷の実験方法、ターゲットのピンチオフ液滴に対する関連パラメータの影響、および個々の構造の応用の観点から、SAW マイクロ流体印刷技術の数十年にわたる歴史をレビューし、再編成します。最後に、既存の文献の研究結果を要約し、表面音響波技術-マイクロ流体印刷分野の将来の発展方向を予測し、評価しました。

出典: https://doi.org/10.1063/5.0014768

3. MRSの進歩：音響場支援による機能性複合材料の3Dプリントにおける最新の進歩; 2021.06.22
このレビューでは、音響フォーカスとインク直接書き込み印刷モードを組み合わせて材料の輸送特性を調整する方法に関する文献について詳しく説明します。同時に、音響フォーカスと拡散自己組織化を組み合わせた事例や、異なる時間スケールでのマルチスケールコロイド固体方向性自己組織化の迅速な組み立てと印刷のプロセスも紹介されています。機能性複合材料の音場支援印刷、拡散自己組織化と音場支援印刷の統合、拡張音場支援印刷の理論モデルについてまとめます。

出典: https://doi.org/10.1557/s43580-021-00090-5

4. Small Methods (IF: 15.367): ノズルフリー音響液滴噴射によるマルチスケール生物学的3Dプリンティング; 2021.05.04
研究背景: バイオプリンティングは、その後の細胞培養中に組織代替物に成熟する複雑な細胞含有ハイドロゲル構造を生成することができます。押し出しベースの 3D バイオプリンターで使用されるノズルは印刷解像度を制限し、ノズルのサイズが 100 µm 未満になると詰まります。ノズルの直径を小さくすると、印刷中のせん断応力も増加し、細胞の活動に影響を及ぼします。
研究内容と結果:音響液滴噴射の原理に基づく新しい生物学的3D印刷方法が導入されました。この方法では、印刷プロセス中にノズルを使用しないため、臨界せん断応力が最小限に抑えられます。シミュレーション結果によると、音響液滴吐出時の最大せん断応力は、直径 150 µm のノズルのせん断応力の 2.7 倍低く、ミリメートルの長さスケール内の細胞クラスターと単一細胞サイズの液滴を印刷できます。この方法により、幹細胞の形態、増殖、分化能力に悪影響を与えることなく、細胞を含んだ構造を正確に 3D 構築できます。

出典: https://doi.org/10.1002/smtd.202000971

5. サイエンスアドバンス（IF: 14.957）：音響泳動印刷；2018.08.31
研究背景: 液滴ベースの印刷方法は、生物学的 3D 印刷アプリケーションで広く使用されています。ただし、インクジェットまたは電気流体力学印刷方法は、粘度が低い材料または特定の電磁気特性を持つ材料にのみ適しています。音響泳動力の生成は材料特性とは無関係であり、3D バイオプリンティングではまだ使用されていません。

研究内容と結果: この論文では、粘度が 4 桁に及ぶニュートン流体や降伏応力流体など、さまざまな柔らかい材料をオンデマンドでパターン化できる音響泳動印刷法を紹介しています。サブ波長ファブリ・ペロー共振器の音響特性を利用することで、マイクロリットルからナノリットルの体積の液滴を印刷する際に重力を 2 桁上回る、正確で高度に局所化された音響泳動力が生成されます。音響泳動印刷は、食品、光学樹脂、液体金属、細胞を含んだ生物学的マトリックスをパターン化できます。

出典: https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aat1659

6. ラボオンチップ（IF: 7.517）：機能的腫瘍微小環境の音響液滴印刷；2021.02.24
研究背景: 機能性組織の製造は、組織工学、再生医療、生物学研究にとって非常に重要です。しかし、現在の 3D バイオプリンティング技術では、バイオインク (細胞と材料で構成) を高精度の 3D 構造に正確に配置したり、複数の種類の細胞を高濃度かつ高生存率で印刷したりすることが難しく、細胞の成長、相互作用、機能が著しく制限されます。
研究内容と結果：本論文では、生体組織の3Dバイオプリンティングを行うための音響液滴印刷法を紹介します。音響液滴印刷法によって、高濃度の癌関連線維芽細胞に囲まれた腫瘍スフェロイドで構成された腫瘍微小環境が構築されました。腫瘍細胞と線維芽細胞の相互相互作用によって制御される動的な腫瘍浸潤機能が確立されました。この記事では、アコースティックドロップレットプリンティングにはノズルが不要、非接触、細胞へのダメージが少ないなどの利点があることを確認しています。これは、アコースティックドロップレットバイオプリンティング法によって、より機能的な天然組織、オルガノイド、または疾患モデルを作成できることを意味します。

出典: https://doi.org/10.1039/D1LC00003A

7. バイオファブリケーション（IF: 11.061）：音響技術を用いた細胞スフェロイドおよびオルガノイドの捕捉；2020.06.29
研究背景: 細胞スフェロイドまたはオルガノイドに基づくバイオ製造技術は、基礎研究およびトランスレーショナルバイオメディカルアプリケーションにおいて大きな発展の見込みがあります。細胞スフェロイドとオルガノイドの正確な位置決めと配置は、組織工学および再生医療のための複雑な組織構造の再構築に不可欠です。

研究内容と結果: 細胞スフェロイドとオルガノイドを柔軟に操作するためのデジタル音響法を提案します。この記事では、デジタル音響技術によって、優れた生体適合性を備えた球状細胞とオルガノイドの相互作用を正確に制御できることを示しています。デジタル音響技術は製造が簡単です。同時に、デジタル音響技術の方法は、非接触、ラベルフリー、生体適合性の高い方法で、さまざまな細胞スフェロイドまたはオルガノイドの正確な操作と配置を実現できます。

出典: https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab9582

8. 材料と設計：超音波誘導自己組織化と 3D プリントを使用したバイオニックフレキシブル材料の作成; 2019.10.10
研究背景：近年、柔軟なバイオセンサー、電極、部品やアセンブリへの電気導体の統合など、階層的な微細構造を持つエンジニアリング材料の製造が広く研究されています。現在使用されている磁場とステレオリソグラフィーを組み合わせた方法、従来の鋳型鋳造、凍結鋳造などの方法では、材料の選択、可能な材料の形状、寸法の拡張性に関して厳しい要件があります。
研究内容と成果：本論文では、超音波誘導自己組織化と3Dプリンティングを「超音波3Dプリンティング」と呼ばれる新しい製造プロセスに統合し、天然素材を模倣した特性を持つエンジニアリング材料の製造を実現しています。このプロセスにより、液体フォトポリマー樹脂と分散マイクロファイバーからなる 3D プリント原料が可能になり、きちんと整列したカーボンマイクロファイバー糸を持つ材料を作成できます。この研究では、超音波の動作周波数と印刷速度が繊維の配列、配列された繊維の隣接線間の距離、そして結果として生じるサンプルの導電性と機械的特性に与える影響を評価しました。結果は、超音波動作周波数と印刷速度の要因を考慮すると、材料サンプル内の整列した繊維ラインが、隣接する整列した繊維ライン間の距離に大きな違いを示すことを示しています。この超音波統合 3D プリンティングにより、特定の材料特性を調整する統合されたサブ構造を持つ材料の製造が可能になります。

出典: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108243

9. 製造プロセスジャーナル：音響場支援インクジェットに基づく炭素繊維強化PDMS複合材料の付加製造; 2022.06.06
研究背景: ポリジメチルシロキサン (PDMS) は、その高い生体適合性、良好な化学的および熱的安定性、および優れた光学特性により、バイオメディカル、電気、ウェアラブルデバイス、およびその他のハイテク産業の製造において広く認識されています。しかし、PDMS の機械的特性が悪いため、低応力の用途での使用は制限されます。
研究内容と結果: 機械的特性が低いという問題を克服するために、インクジェットベースの付加製造 (AM) 技術を使用して、粉砕された炭素繊維 (CF) を追加し、CF 強化 PDMS 複合材料を製造しました。空隙などの内部欠陥を減らし、CF 強化 PDMS 複合材料内の均一な CF 分布を実現するために、インクジェットベースの AM 技術に音響場が導入されました。実験結果は、音響場を追加すると、製造されたサンプル内の欠陥の減少と CF 分布の均一化に有益であることを示しています。さらに、音響場で処理したサンプルは、音響場で処理していないサンプルと比較して、引張特性、特に伸びと靭性が向上し、動的機械特性（貯蔵弾性率など）も向上しました。

ソース：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.05.059

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