研究: マルチマテリアル投影バイオ3Dプリンティング

出典: EngineeringForLife

自然の生物組織の複雑な構造を正確に再現することが、生物学的 3D プリンティングの長期的な目標です。プロジェクション 3D プリンティング (PBP) は、すべての 3D プリンティング技術の中で解像度と製造時間 (RTM) の比率が優れており、次世代のバイオプリンティングの主流ソリューションの 1 つと考えられています。それにもかかわらず、異なる機械的特性を持つバイオインクを使用した標準化された高忠実度かつ高解像度の印刷は、依然として困難な課題です。この制限は、体系的な研究と成熟した印刷機器の不足に起因します。マルチマテリアル 3D バイオプリンティング (PBBP) に関する多くの重要な質問は未だに答えられていません。たとえば、マルチマテリアルバイオインクの重合特性はどのように異なるのでしょうか?マルチマテリアル印刷に適した材料の組み合わせはどれですか?交差汚染を避けるにはどうすればいいですか?印刷解像度を評価するにはどうすればいいですか?印刷システムはどのように構築すればよいでしょうか?

これらの疑問に体系的に答えるために、EFL チームは「マルチマテリアル投影ベース 3D バイオプリンティングの印刷可能性」と題する研究論文を Research 誌に発表しました。浙江大学の楊華勇院士と何勇教授が共同著者であり、博士課程の何超凡氏が第一著者です。

本稿ではまず、マルチマテリアル PBBP の基本的な枠組みをまとめます。このフレームワークは、印刷装置、材料要件、インクの切り替え、重合特性、相互汚染、解像度評価など、6 つの主要な側面をカバーしています。これを基に、材料スロット切り替えに基づくマルチ材料印刷装置が設計・発明され、6つの材料の同時印刷をサポートできるようになりました。流体制御フラッシング-負圧補助毛細管吸着の共同洗浄法が提案され、専用のバイオプリンティングオペレーティングシステム、機械監視システム、可視化モジュール、レーザー較正装置、柔軟な剥離機構が統合され、印刷装置の安定性と操作性が確保されました。

図1 マルチマテリアル投影生物3Dプリンティングの基本フレームワークと標準プロセス
マルチマテリアルインクの重合特性 ハイドロゲルは、水分含有量が高く、生体適合性と分解性に優れているため、バイオインクの分野で広く使用されています。しかし、ハイドロゲル分子の自然な拡散特性により、異なるインク間で相互汚染が起こりやすく、複雑なインターフェースを持つバイオ構造の構築に大きな課題が生じます。現在、マルチマテリアルバイオインクの光重合挙動、特に界面での光重合速度論とメカニズムについては、まだ十分な理解がされていません。この研究では、マルチマテリアルバイオインクの光重合挙動と特性を体系的に調査しました。実験結果によると、単一成分ハイドロゲルと比較して、多成分ハイドロゲルのゲル化点時間が大幅に短縮され、つまり加速された重合挙動を示すことがわかりました。しかし、この現象は二重結合変換の絶対値または成長率の増加によって生じるものではありません。架橋ステップの平均数をテストすることで、硬化の初期段階では、多成分インクのモノマー分子がより多くの連鎖成長反応を起こすことがわかりました。これは、異なる感光性基の間に相乗効果があり、連鎖反応が急速に発生することを示しています。さらに、ハイドロゲルの微細孔構造から、混合インクが高頻度の連鎖成長反応を起こし、異なるモノマーの相互ネストによって三次元重合ネットワークの形成が促進されたことが確認されました。

図2 マルチマテリアルバイオインクの重合特性
マルチマテリアル PBBP 印刷可能標準 人間の組織は、骨や軟骨、皮膚や筋肉など、柔らかい性質と硬い性質が組み合わさっていることがよくあります。組織の微小環境をよりリアルにシミュレートするために、マルチマテリアル 3D バイオプリンティングでは、さまざまな組織をシミュレートするために、さまざまな機械的特性を持つハイドロゲルがよく使用されます。しかし、機械的強度の差が大きすぎるハイドロゲルは、機械的な不一致や界面結合強度の不足などの問題に直面する可能性があります（図4.6）。したがって、印刷プロセスを最適化するには、ソフトおよびハード複合ハイドロゲルの界面結合強度規則を調査し、材料の組み合わせがマルチマテリアル 3D 印刷に適しているかどうかを判断することが非常に重要です。本論文では、破壊エネルギーに基づく界面接合強度判定基準を提案し、それを印刷適性の基準として用います。界面構造の遷移領域 (TR) と面積比 (AR) が印刷可能なウィンドウに与える影響を調査しました。

図3 マルチマテリアルPBBPの印刷可能基準
複数材料の PBBP の交差汚染 複数材料の PBBP の交差汚染は、浸透汚染と残留汚染の 2 つのカテゴリに分けられます。浸透汚染とは、硬化したハイドロゲルの分子ネットワークが他の物質によって容易に浸透されるという事実を指します。これはほぼ避けられないことです。そこで、ハイドロゲルポリマーネットワークにおける粘性バイオインクの浸透法則を探るために、粘性バイオインクの浸透試験の標準プロトコルを確立し、ハイドロゲルの分子量と浸透物質の分子量が浸透性に及ぼす影響を研究した。残留汚染とは、インク切り替えプロセス中に、印刷構造の表面に残っている他のインクが、その後別の材料タンクにロードされるインクを汚染し、インクの性能に変化を引き起こすことを指します。これは適切な清掃手順によって効果的に回避できます。この論文では、流体フラッシングと負圧補助毛細管吸着のプロセスパラメータを詳細にテストして最適化し、交差汚染を効果的に回避します。

図4 複数材料PBBPの交差汚染
マルチマテリアル PBBP の印刷解像度 印刷解像度は、3D 印刷技術の製造能力を評価するための重要な指標です。しかし、印刷解像度に関する既存の研究は主に従来の単一材料印刷に焦点を当てており、マルチ材料 PBBP 印刷の解像度エラーの原因と評価基準に関する体系的な研究が不足しています。これは、マルチマテリアル印刷では特性の異なるさまざまな材料が導入されるため、印刷プロセスがより複雑になり、影響要因間の相互結合につながり、解像度エラーの原因を正確に分析して効果的な評価基準を開発することが困難になるためです。マルチマテリアル PBBP では、印刷エラーの原因は主に次の 3 つのカテゴリに分類されます。タイプ A の解像度低下: 不十分な光硬化または過剰な光硬化による寸法偏差、タイプ B の解像度低下: レイヤー内でのマルチマテリアル印刷の相互影響、タイプ C の解像度低下: インクの相互汚染による解像度の低下。本論文では、交互スポーク構造を備えたマルチマテリアル印刷解像度の標準テストモデルを構築し、印刷解像度の体系的なテストと分析を実施します。

図5 マルチマテリアルPBBPの印刷解像度
マルチマテリアル印刷効果 層間および層内のマルチマテリアル印刷の印刷品質を検証するために、さまざまな織り、ネスティング、オーバーハングの特徴を持つ格子構造の作成に成功しました。印刷された構造は、明確な材料界面、高い構造忠実度、理想的な機械的特性を示しました。さらに、生体模倣気管モデルと肝小葉モデルが設計され、印刷されました。モデルは、2 つの細胞搭載バイオインク (RFP-hCMEC と GFP-PAN02) で構成されていました (図 6A)。印刷された構造の細胞界面は明瞭で、構造の忠実度は良好でした。

図6 マルチマテリアル印刷装置参考文献:
参考文献

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