ハーバード大学医学部: 多孔質 GelMA ハイドロゲルの 3D プリント

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

細胞外マトリックスとの構造的類似性により、注射可能なハイドロゲルは組織再生に大きな可能性を示しています。従来の注入可能なハイドロゲルを組織欠損充填剤として使用する場合、形成されるブロック状のゲルポリマーネットワークは比較的密度が高く、通常はナノスケールの細孔のみを含むため、カプセル化された細胞の成長空間と栄養素の輸送が制限されます。さらに、ゲルネットワーク構造が過度に密になると、体組織の融合が妨げられます。したがって、ミクロからマクロスケールまでの多孔質ハイドロゲルを構築することは、組織工学の用途にとって非常に重要です。

最近、ハーバード大学医学部のYu Shrike Zhang教授の研究グループは、「形状記憶特性を備えたバイオプリント注入可能な階層的多孔質ゼラチンメタクリロイルハイドロゲル構造」と題する研究結果をAdvanced Functional Materials誌に発表しました。彼らは、ゼラチンメタクリロイル（GelMA）ベースの多孔質バイオインクに生きた細胞をカプセル化し、押し出しバイオ3D印刷技術によってマクロ、マイクロ、ナノの多孔質ハイドロゲル足場を製造し、その後、パターン化されたハイドロゲル足場を組織欠損部位に注入して修復することを提案しました。結果は、このユニークな 3D プリント多孔質ゲル構造が、低侵襲組織再生および細胞治療の分野で幅広い応用の見込みがあることを示しています。

まず、マイクロナノポーラス構造を持つ細胞を含んだハイドロゲル足場の製造プロセスを紹介しました。細胞を含む GelMA プレゲル溶液と PEO 溶液を室温で最適な体積比で混合し、2 相水性バイオインクを調製しました。目的の細胞含有ハイドロゲル構造は、押し出しバイオ 3D 印刷技術を使用して印刷されました。光架橋後、バイオインクは市販の経皮針を使用して in vitro または in vivo に注入されました。マイクロポア: GelMA ハイドロゲルネットワークに含まれる細孔。マイクロポア: GelMA 相の PEO は、スキャフォールドを PBS に浸すことで除去され、相互接続されたマイクロポアが生成されます。マクロポア: 直接 3D 押し出しバイオプリンティングで肉眼で見える細孔。

図1 3Dバイオプリンティング水性2相バイオインクを使用した多層多孔性ハイドロゲル構造の構築の模式図。次に、ハイドロゲル構造を特徴付け、異なる配合の水性2相バイオインクの印刷と微細構造を実証しました。また、PEO体積分率と混合時間を調整することで多孔度を調整できることも指摘されました。マイクロナノ多孔性ハイドロゲル構造の可逆性テストにより、マイクロ多孔性ハイドロゲル構造は低侵襲性注射を可能にする可能性があることが証明されました（図2）。

図2 3D生物学的階層的多孔質ハイドロゲル構造の特性評価次に、階層的多孔質ハイドロゲル構造の圧縮性と注入性を検証しました。標準的なハイドロゲル構造は、圧縮および注入後に回復して構造的完全性を維持することができません (アニメーション 1、2)。一方、マイクロナノポーラスハイドロゲル構造は、ひずみレベルでの機械的圧縮の影響を受けません (図 3)。さまざまなパターンのマイクロポーラスハイドロゲル構造を 14G 針を使用して豚の組織欠損部に注入し、3D プリントされたマイクロナノポーラスハイドロゲルの注入性と形状記憶特性を in vitro で実証しました (図 4、アニメーション 2、3、4)。

図3 3Dバイオプリントマイクロナノ多孔質ハイドロゲル構造の形状記憶性能の評価図4 3Dバイオプリントマイクロナノ多孔質ハイドロゲル構造の注入性試験最後に、ハイドロゲル構造をin vivoおよびin vitroで生物学的評価にかけました。一方では、マイクロナノ多孔質ハイドロゲルは、機械的圧縮または注入後のhMSCの生存、増殖、拡散能力、およびhMSCの脂肪形成と骨形成能力に影響を与えないことが証明されました（図5）。他方では、3Dプリントされたハイドロゲル構造は、組織欠損を効果的に埋めることができます。標準的なハイドロゲルは組織の浸潤を制限しますが、多孔質ハイドロゲル内の相互接続されたマイクロポーラス構造は、組織の成長に十分なスペースを提供し、組織と融合しやすく、修復を促進します（図6）。
図5 圧縮および注入後のハイドロゲル構造におけるhMSCの生存および増殖能力の評価図6 3Dバイオプリント多孔質ハイドロゲル構造におけるhMSCの分化能力
3D バイオプリンティングは、欠陥部位に効果的に適合するカスタマイズされたハイドロゲル構造を提供するための多目的プラットフォームを提供します。相互接続された微細孔により、構築されたハイドロゲルは圧縮および注入後も元の構造的および機能的特性を維持できるだけでなく、hMSC が増殖、移動、分化することも可能になりました。さらに、形状記憶特性を持つ注入可能なハイドロゲルは生分解性であり、組織の統合に有益です。したがって、このタイプの注入可能な 3D バイオプリント細胞含有多孔質ハイドロゲルは、低侵襲注射および創傷修復のための有望なキャリアです。

ソース：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740

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