Nature サブジャーナル: 生体 3D プリントのための近赤外光架橋ハイドロゲル

Nature サブジャーナル: 生体 3D プリントのための近赤外光架橋ハイドロゲル
出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

光硬化型3Dプリンティングは、印刷精度が高く、印刷速度が速いため、組織再生などの医療研究に有利なツールとなっています。しかし、現在、光硬化型3Dプリンティングでは一般的に波長の短い光源を使用しているため、組織へのダメージが大きく、浸透性が低いため、生体内での3Dプリンティングの開発に大きな制限があります。最近、イタリアのパドヴァ大学のニコラ・エルヴァソーレ氏のチームは、「生体内3次元バイオプリンティング」と題する論文をNature Biomedical Engineering誌に発表し、生体の3Dプリント手法を提案した。彼らが開発した感光性ハイドロゲル HCC は、生体直交二光子環化付加法によって 850nm を超える波長で架橋することができ、生きたマウスの組織内に複雑な組織構造を作り出すことができます。

図1に示すように、彼らはクマリン誘導体を光感受性架橋基(HCC)として選択しました。クマリン誘導体は、近赤外光の2光子励起にさらされると、[2+2]環化付加反応を起こし、ハイドロゲルを架橋して硬化させ、生物組織への浸透能力を大幅に高めます。同時に、クマリンを介した環化付加反応ではフリーラジカルが生成されないため、生体組織への損傷が回避されます。


図1 生体内バイオ3Dプリンティングのための注入可能なHCC結合ポリマーの合成原理

著者らは、一連の特性評価方法を使用して、感光性ハイドロゲル HCC のユニークな物理化学的特性を実証しました。その結果、HCC ポリマー溶液の赤外線媒介光架橋を使用することで、正確な 3D 位置決め、マイクロメートル解像度、調整可能な機械的剛性を備えた 3D ハイドロゲルを生成できることが示されました。


図2 感光性ポリマーの特性

生体内バイオプリンティングの実現可能性を検証するために、著者らはマウスの皮膚で 3D プリント実験を実施しました。 HCC ポリマー溶液を、2 光子顕微鏡を使用して、集束パルス近赤外レーザー光 (λ = 850 nm) にさらしました。結果は、筋繊維の表面に 3D ハイドロゲルを製造しても、筋繊維全体の形態や結合組織の完全性に大きな変化はなく、ハイドロゲルは光反応が発生した領域にのみ形成されるため、正確な 3D 印刷が可能になることを示しました。


図3 3Dでの生体内皮膚バイオプリンティング

最後に、著者らは、この方法を生物組織に印刷する場合の実現可能性を研究した。線維芽細胞とMuSCをHCCゼラチン溶液に充填することで、バイオプリンティングが骨格筋の新たな形成を促進できるかどうかを検証しました。結果は、マウス後肢筋肉の外膜下でドナー筋肉由来幹細胞の生体内 3D バイオプリンティングにより、マウス筋線維の新規形成につながる可能性があることを示しました。


図4 細胞を使った3Dバイオプリンティング

概要: この研究は、近赤外光励起下での生体内生物学的 3D プリントの実現可能性を実証しています。このタイプの生体内 3D バイオプリンティングは、生物組織に損傷を与えず、組織浸透能力が非常に高いです。一般的に使用されている多光子顕微鏡を使用して、バイオプリント構造を正確に配置および特定できるため、真皮、骨格筋、脳などのマウスの生体組織内に複雑な構造を製造することができます。

ソース:
https://www.nature.com/articles/s41551-020-0568-z
生物学的、ハイドロゲル

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