大連理工大学の生物3Dプリント技術は、マルチスケールの臓器組織の「印刷」を実現できる

出典：大連理工大学

心臓弁は人間の心臓の重要な構成要素であり、通常はわずか 4 ～ 6 平方センチメートルの大きさですが、「門番」のような役割を果たし、心房 (または心室) から流れ出たばかりの血液が逆流するのを防ぎ、人体の正常な血液循環を確保します。しかし、さまざまな原因で心臓弁に問題が生じた場合、新しい弁に「交換」することは可能なのでしょうか?

「現在、人々は特定の種類の豚や牛の心臓弁を摘出し、脱細胞化などの処理を施した後、人体に移植することが多い。しかし、この方法は血行動態特性や耐久性が悪く、患者とともに成長できず、費用もかかる」と大連理工大学機械工学学院の趙丹陽教授はインタビューで、3Dプリント技術で心臓弁を「印刷」する方がよいと語った。

▲3Dプリントされた大動脈弁出典：PNAS
近年、生物学的3Dプリント技術は、複雑な人体組織や臓器の構築における最も有望な技術的ソリューションの1つとなり、特に近年提案された浸漬インク書き込み技術は、生物学的3Dプリントの重要な技術分野として大きな注目を集めています。しかし、材料と技術プロセスの制限により、関連技術では心臓弁などの小さな人間の臓器しか「印刷」できません。臓器が大きくなりすぎると、正確に印刷することはできません。
これに対し、趙丹陽氏はネバダ大学リノ校の金一菲教授のチームおよび他の部門と協力し、数年にわたる研究を経て、高精度の角膜、異質な眼球、心臓弁、実物大の心臓、その他の組織や臓器の構造をミリメートルからデシメートル単位で精密に印刷できるマルチスケール浸漬印刷戦略（MSEP）を提案した。

最近、関連する結果が米国科学アカデミーの公式学術誌である米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されました。

技術的な問題により、マルチスケールの臓器印刷が妨げられる<br /> 趙丹陽氏によると、3Dプリント技術は、コンピューター制御を使用して「印刷材料」を層ごとに積み重ね、最終的にコンピューター上の設計図を物理的な物体に変換するだけのものである。バイオ 3D 印刷技術は、患者の特定の解剖学的構造、生理学的機能、治療ニーズに基づいて、人工インプラントや組織臓器などのバイオメディカル製品を製造できる 3D 印刷技術の分野です。

しかし、人間の臓器のほとんどは体内に「吊り下げられた」構造になっているため、3Dプリントする際には特別なサポート方法が必要です。浸漬インク書き込み技術は比較的良い方法です。

この技術では、一般的に、降伏応力特性に優れたハイドロゲル材料を支持槽材料として使用し、3Dプリント針が支持槽材料に入った後、印刷インク材料を押し出しながら計画された経路に沿って移動します。支持浴材料の降伏応力特性により、印刷針が通過すると支持浴材料は液体になります。針が材料を押し出して印刷位置を離れた後、支持浴材料は再び固体になり、印刷インク材料をしっかりと「掴み」、印刷構造を安定させ、インクが固まる前に印刷構造の精度を確保します。

「この技術は比較的完全な組織や臓器を印刷できますが、固有の欠陥もあります」と金一飛氏は述べました。つまり、現在の伝統的な支持浴材料は、単純な物理的刺激では全体的に「固体」から「液体」への変換を迅速に行うことができず、印刷プロセス中に必要に応じて支持浴材料を追加することが困難です。そのため、組織や臓器を印刷する際には、印刷対象のサイズに応じて印刷装置を常に調整する必要があります。

「つまり、小さな組織を印刷する必要がある場合は、短くて小口径の針と関連部品を使用する必要があります。一方、大きな臓器を印刷する場合は、長くて大口径の針とそれを支える部品が必要です。したがって、この方法では、マルチスケールの組織や臓器の製造を実現することはできません。」金一菲氏は、実際には、この技術では、数百ミクロンから10ミリメートルの機能特性サイズの組織と臓器構造しか印刷できないと述べました。

「固体」と「液体」を変換できる新素材<br /> この問題を解決する鍵は、固体と液体の間で自由に変化できる材料を見つけることです。これは、趙丹陽氏のチームが長年取り組んできた目標でもあります。

最終的に、彼らはこの目標を達成することに成功しました。

この研究では、趙丹陽氏のチームが協力して、刺激に反応するサポート入浴材を開発した。この材料は、特定の温度感受性ハイドロゲルと降伏応力添加剤ナノクレイで構成されています。降伏応力特性と温度感受性の両方を備えています。前者により、材料は支持浴材料のレオロジー特性を維持できます。後者により、低温条件下で液体になり、印刷容器に簡単に追加できます。室温ですぐに固まるため、印刷プロセス中に必要に応じて支持浴材料を追加するニーズを満たします。

これを基に、研究チームはマルチスケールの組織および臓器浸漬3Dプリント戦略の開発に成功しました。この技術を使用して、研究チームはミクロンレベルの表面粗さを持つ人工角膜構造の3Dプリントを実現しただけでなく、ミリメートルレベルの特徴的な寸法を持つ異質な人間の眼球と大動脈弁のモデル、およびデシメートルレベルのスケールのフルサイズの人間の心臓モデルも製造しました。

注目すべきは、人体組織や臓器の再生・修復を実現し、患者の治療効果と生活の質を向上させるほか、生物学的3Dプリント技術の応用展望には、術前計画、つまり患者の手術前に医療モデルをプリントアウトして医師に術前ガイダンスとシミュレーションを提供することも含まれているということだ。また、特定の生理学的構造と機能を備えた人体モデルをプリントアウトすることで、研究者が人体の生理環境をより正確にシミュレートし、新薬開発のプロセスを加速するのに便利である。
しかし、応用の見通しがどうであろうと、印刷される組織や臓器のサイズと印刷精度に対する要求は高く、つまり、マルチスケールの組織および臓器浸漬 3D 印刷戦略には幅広い応用の見通しがあることを意味します。

新しいアプローチと可能性を提供する<br /> 将来について趙丹陽氏は、生物学的3Dプリント技術の究極の目標は、短期間で患者のニーズにより適した組織や臓器を製造し、培養することだと語った。このため、印刷材料の面では、将来の研究ホットスポットは、特定の生物学的活性を有するバイオインク、特別な機能を備えた人工および天然ポリマー材料などの開発に重点を置くことになります。製造精度の面でも、より複雑で洗練された生物学的構造を徐々に印刷できるように、さらに改善する必要があります。

さらに、人工知能技術と生物学的3Dプリント技術を組み合わせた技術も急速な発展を迎え、インテリジェント設計、印刷パラメータの最適化、リアルタイム監視などの機能を実現し、生物学的印刷製造の効率と品質を向上させます。

実際、国内外のさまざまな科学研究チームが現在、生物学的3Dプリント技術の分野でさまざまな研究を行っています。例えば、2023年には、米国のハーバード大学が、心臓の収縮要素の複雑な配置をシミュレートし、実際の人間の心筋と同様に複雑で多様な配置の心臓組織シートを「印刷」できる一連の心臓3Dプリント技術を開発しました。

この点に関して、趙丹陽氏はバイオテクノロジーと工学技術を組み合わせることで、最終的には人間が生きた組織や臓器を「印刷」できるようになると率直に述べた。この点で、人類は大きな進歩を遂げました。彼らの研究の最大の価値は、マルチスケールの人間の組織や臓器を精密に製造するための新しい方法と可能性を提供し、将来の組織工学研究や人工臓器移植のための技術的基礎を築くことです。「今後もこの研究方向を追求し続けていく」と趙丹陽氏は語った。

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