骨研究のためのオープンソースの 3D プリントバイオリアクター EnduroBone

2024 年 6 月 7 日、Antarctic Bear は、フロリダ国際大学 (FIU) の研究者が熱溶解積層法 (FDM) 技術を使用して、EnduroBone と呼ばれるオープンソースのバイオリアクターを作成したことを知りました。バイオメディカルエンジニアのアナミカ・プラサド氏が率いる研究チームは、体外および実験室で骨組織を作成するための装置を開発した。この画期的な進歩の可能性は非常に大きく、長年にわたる医学研究を前進させ、個人に合わせた骨インプラントの開発を可能にすることで、骨損傷や骨疾患の治療を変革する可能性があります。 Creality の手頃な価格の Ender 5 Plus 3D プリンターを使用した構築手順はオンラインで公開されており、世界中の研究者がこの技術を再現して適応させることができます。

EnduroBoneの基本

FIU の工学・コンピューティング学部の中心で、アナミカ・プラサド氏とそのチームは 3D プリント可能なバイオリアクター「EnduroBone」の開発に取り組んできました。 EnduroBone には、自然な骨の構造を模倣した小さな円形の空間である円筒形の空洞がいくつかあり、体外での長期生存に不可欠な骨細胞の成長と増殖に適した環境を作り出します。 EnduroBone は、機械的な動きと栄養の流れを組み合わせて骨細胞を健康に保ちます。骨のサンプルが置かれている組織の穴の上を移動させるモーターが付いています。この動きにより骨サンプルが優しく圧縮され、骨が体内で受ける自然な物理的力がシミュレートされ、骨細胞が活発かつ活力を保つのに役立ちます。同時に、ポンプは老廃物を運び去りながら骨細胞に栄養素を送り続けます。これはちょうど血液が細胞に栄養分を運び、老廃物を運び去るのと同じです。 EnduroBone は、穏やかな動きと栄養素を提供することで、骨細胞の成長に最適な環境を作り出します。

骨組織工学の基礎研究のための EnduroBone

△ バイオリアクターエンデューロボーン

EnduroBone は、機械的刺激と安定した栄養を提供することで、骨細胞にとって非常に「サポート力の高い環境」を作り出します。この装置により、研究者は骨細胞がどのように成長し、治療に反応し、長期間にわたって互いに相互作用するかを研究することができます。ジャーナル「HardwareX」に掲載された最近の研究では、骨のサンプルは EnduroBone 内で最大 28 日間生存できることが示されました。これは大きな意味を持ちます。なぜなら、科学者は骨細胞が長期間にわたってどのように成長し、治療に反応するかを研究できるからです。また、骨細胞の変化を観察し、制御された環境で新しい治療法をテストすることもできます。 EnduroBone は骨組織工学における大きな進歩であり、骨の損傷や骨疾患の治療方法を変える可能性を秘めています。

△上部フレームのベースプラットフォーム上の組織穴は同じであり、各組織穴には栄養培地の流入および流出チャネルが装備されています

FIU によれば、EnduroBone はわずか 3,138 ドルで、20,000 ドル以上もする MechanoCulture TX や TR などのシステムに比べて、より手頃な統合ソリューションを提供しているとのことです。 OsteoGen バイオリアクター (Tissue Growth Technologies 社が販売する直接灌流装置) などの他の市販バイオリアクターは、基本的な生理学的制御と連続灌流のみを提供し、圧縮機械的刺激がありません。

EnduroBone バイオリアクターは、クリエイティブコモンズライセンスの下でオープンソースプラットフォームとして利用可能であり、世界中の研究者がこの革新的なテクノロジーを複製して活用することができます。 3D プリントのおかげで、このハードウェアは市販のハードウェアの数分の 1 のコストで製造できるため、高度な骨の研究がより手頃な価格で利用しやすくなります。

調査文書には、EnduroBone バイオリアクターの構築に関する明確で詳細な手順が記載されています。研究者らは CAD ファイルを作成して公開し、特定の設定で Creality の Ender 5 Plus 3D プリンターを使用してすべての部品を印刷しました。印刷後、栄養素をしっかりと密封するために、部品は Smooth-On の XTC-3D シーラントでコーティングされました。組み立てプロセスには、生体適合性を確保するために、組織孔を徹底的に洗浄し、Dow Corning 社の PDMS Sylgard-184 でさらにコーティングすることが含まれます。これらの包括的なガイドラインにより、研究者はバイオリアクターを簡単かつ安価に、効率的に複製できるようになります。

骨がん治療研究のための EnduroBone

ここでは、細胞（緑の点で表示）が FIU 3D プリントバイオリアクター内で体外で骨形成タスクを実行しています。

基礎研究に加えて、アナミカ・プラサド氏のチームは、EnduroBone を使用して、重篤な骨の癌である骨肉腫を患う子供たち向けにカスタマイズされたインプラントを設計する予定です。フロリダがんイノベーション基金とフロリダ州保健局の資金提供を受けたこのプロジェクトは、各患者の独自のニーズに合わせて 3D インプラントをカスタマイズすることを目指しています。チームは、バプティスト・ヘルスの筋骨格腫瘍外科部長であるフアン・プレッテル医師と協力し、若い患者の治療とがんからの回復の方法を変えたいと考えている。

軟骨研究のための EnduroBone

EnduroBone システムは、骨組織工学に加えて、軟骨の研究、特に軟骨がどのように分解して骨に変化するかを研究するために使用される可能性があります。研究者らは、この汎用性により、整形外科用機器の試験や再生医療のための新しい治療法の開発など、バイオリアクターが生物医学研究の多くの分野で使用できる可能性があると説明している。

研究チームは、EnduroBone が、外部刺激が骨組織に与える影響、病気のメカニズム、および潜在的な治療介入を研究するための新たな道を切り開くことを期待しています。 EnduroBone は、骨生物学、骨の発達、再生医療の進歩を加速し、最終的にはヘルスケアを改善するための重要なツールとなることを目的として開発されました。

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