生体内での非侵襲的 3D 印刷のための希土類アップコンバージョンナノ粒子 (UCNP)

出典: ランタノイドとバイオマス

医学では、特定の病気の治療には患者の体内に生体医学的材料を移植することが必要になります。しかし、このようなデバイスの移植には、外科的合併症や感染のリスクが伴います。この記事では、研究者らが、侵襲的な手術なしで生体内成形を実現するために、アップコンバージョンナノ粒子 (UCNP) を活用した 3D バイオプリンティング法を開発しました。適切に設計された UCNP は、皮膚組織を透過する近赤外線 (NIR) 光子を青紫色発光 (300～500nm) に変換し、モノマーの重合を誘導して生体内での硬化を実現します。溶融堆積モデリング調整フレームワークを使用すると、近赤外線レーザーの軌道を正確に事前に決定することで、カスタマイズされた形状のインプラント医療機器を製造できます。非侵襲性の骨折固定スキャフォールドの 3D バイオプリンティングに成功し、バイオメディカル治療のための新しい生体内プロトタイピング手法を実証しました。

これは、図 1 に示すように、UCNps 支援重合プロセスに基づく非侵襲性の 3D バイオプリント骨折固定システムです。 NIR連続波（CW）レーザーを固定するために3次元座標位置決めフレームが使用され、3次元ステントモデル上のNIRの動きを正確に制御するためにコンピュータ支援設計（CAD）が使用されました。 UCNP を内蔵硬化光源として使用することで、ゼラチンメタクリロイル (GelMA) やアクリルモノマーなどの生体適合性ハイドロゲルモノマーを NIR 照射下で効率的に重合できます。この研究では、バイオインクとして UCNP を含むモノマー溶液を非侵襲的に生体内でカスタマイズされた形状に印刷しました。本研究では、図2に示すように、青紫色の発光を調節し、効率的な光重合を実現するために、コアシェル希土類ナノ粒子（NaYF4：Tm3+@NaYbF4@NaYF4）を設計しました。

設計された UCNP の異なるコアシェル構造の発光特性と光硬化効果を図 3 に示します。これに基づいて UCNP が最適化されました。研究者らは、光開始剤の吸収範囲内での UCNP の PL 性能も研究しました (図 3d)。光開始剤は青紫色の範囲で吸収を示すことがわかり、これは UCNP の結果として得られる PL スペクトルと非常に重なります。 UCNP の NIR 誘起光重合性能を図 3e に示します。 NIR CW レーザー励起下では、対応する UCNP によって生成された青紫色光が光開始剤によって吸収され、フリーラジカルが生成され、モノマーの重合が促進されます。調査されたバイオインクは、樹脂モノマー（ゲル MA、アクリル）、光開始剤、および NIR 3D 光硬化用の UCNP で構成されていました。テストの結果、光硬化率は露光時間とNIR光パワーの増加とともに増加することが判明しました。 NIRレーザーの出力が2.5Wを超えると、照射後10秒以内に硬化速度が最大に達した（図3f）。したがって、設計された UCNP は NIR 誘導重合を効果的に開始し、生体内での成形中に紫外線によって細胞に与えられる損傷を軽減しました。

このシステムにより、複雑な 3 次元ポリマー構造の形成が可能になります。まず、NX10.0 を使用して 3D モデルを設計し、Cura ソフトウェアと制御コンピュータを使用してレーザーの動作パスを定義しました。次に、対応するバイオインクを座標系の原点にあるガラス皿に配置しました。コンピューター上の Repetier ソフトウェアを使用してレーザーの移動経路を制御し、さまざまなモデルの印刷を完了します。

This method can be used to print out fixation brackets suitable for different fractures, such as oblique fractures (Figure 4a) and comminuted fractures (Figure (4b). Here, the bone can be accurately formed in situ at the fracture site and perfectly fit to the bone surface, thereby ensuring a more stable support for the fracture repair process. In addition, scholars used UCNPs-assisted 3D bioprinting technology to non-invasively prepare customized fixation brackets. First, three-dimensional bone reconstruction of rats was performed using computed tomography (CT) to obtain accurate three-dimensional coordinates of the fracture location. Subsequently, a three-dimensional model of the bracket was designed based on the fracture conditions. The image of the fracture in the laboratory rat is shown in Figure 4c. Subsequently, the bio-ink solution was injected into the fracture site of the laboratory rat (Figure 4d). Under computer control, NIR formed the bio-ink solution along the planned path (Figure 4e). The bracket was non-invasively fixed at the fracture site in vivo (Figure 4f). This shows that UCNPs-assisted non-invasive in vivo NIR 3D bioprinting technology has the potential to prepare complex tissues in situ for organ reconstruction with minimal iatrogenic damage.

この研究で選択されたハイドロゲル材料は生体適合性があり、生物医学的用途で広く使用されています。相対的な細胞生存率実験では、バイオインクは細胞適合性が良好であり、異なる濃度のバイオインクを使用した場合でも細胞生存率が大幅に低下しないことが示されました。

要約すると、UCNN 支援 NIR 重合プロセスに基づいて、研究者らは調整されたフレームワークを使用した非侵襲的な 3D バイオプリンティング方法を開発しました。コアシェル UCNP は、光開始剤の吸収スペクトル内で効率的な青紫色の発光を提供するように合理的に設計されています。協調位置決めフレームワークを使用することで、所定の軌道に沿った NIR レーザーの正確な移動が実現され、指定された 3D モデルに基づいてオブジェクトが作成されます。したがって、カスタマイズされた足場は、骨折の修復のために局所骨折部位に皮下にバイオインクを注入することで、非侵襲的に生体内で印刷することができ、臨床研究や医学研究への応用の可能性を示しています。

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