ライス大学の研究者らが、生物構造の3Dプリントに新たな扉を開くカスタムエンジニアリングされた生体材料を開発

2025年2月6日、アンタークティックベアは、ライス大学の研究チームが、材料の構造と変形力（伸張や圧縮など）への反応をより正確に制御できる新しいカスタムエンジニアリングバイオマテリアル（ELM）の配列-構造-特性の関係を明らかにしたことを知りました。 ELM 材料は、3D 印刷技術を通じて複雑な生物学的構造を作成するために使用でき、さまざまな用途に適しているため、3D 印刷に最適な材料の選択肢となります。
△左から：キャロライン・アジョ・フランクリン、カールソン・グエン、エスター・ヒメネス。出典：ライス大学。
ACS Synthetic Biologyの特別号に掲載された「マクロ生体材料のタンパク質マトリックスを遺伝子組み換えしてその構造とレオロジー特性を制御する」と題するこの研究は、人工生体材料に構造を与えるタンパク質のネットワークであるタンパク質マトリックスの組み換えに焦点を当てています。研究チームは、わずかな遺伝子変化を導入することで、これらの材料の挙動を大幅に変えることができることを発見した。この発見は、組織工学、薬物送達、バイオデバイスの3Dプリントの進歩への新たな扉を開く可能性がある。
△論文リンク：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssynbio.4c00336
「私たちは細胞を操作して、独自の特性を持つカスタマイズ可能な材料を創り出しています」と、ライス大学の生物科学教授でこの研究の主任著者であるキャロライン・アジョ・フランクリン氏は言う。「合成生物学はこれらの特性を調整するツールを与えてくれましたが、遺伝子配列、材料構造、挙動の関係はこれまでほとんど研究されていませんでした。」
研究チームは合成生物学の技術を用いて、カウロバクター・クレセンタスと呼ばれる細菌を研究した。研究室の以前のメンバーは、細胞同士がくっついて支持マトリックスを形成するのに役立つBUD（「ボトムアップ・デ・ノボ」の略）と呼ばれるタンパク質を生成するように細菌を操作していた。これにより、細菌はBUD-ELMと呼ばれるセンチメートルサイズの構造に成長することが可能になりました。

ライス大学の研究者らは、生体材料をカスタム設計し、生物学的デバイスの 3D プリントの進歩への扉を開きました。研究者たちはこの工学的アプローチを用いて、エラスチン様ポリペプチド（ELP）と呼ばれる特定のタンパク質セグメントの長さを変え、新しい材料を作り出した。研究チームは、元の中型サイズの BUD-ELM と 2 つの新しい変種を特徴づけ、それぞれが異なる特性を示すことを発見しました。最初の材料は BUD40 と呼ばれ、ELP が最も短く、より太い繊維を形成するため、より硬いバルク材料になります。 2 番目の材料である BUD60 は、中程度の長さの ELP を持ち、球状体と繊維の組み合わせを形成し、変形振動応力下で最も強力な材料を生み出します。最後に、ELP が最も長い BUD80 では、より細い繊維が生成され、変形応力によって簡単に破損する剛性の低い材料が生成されました。
高度な画像処理と機械試験により、違いは見た目だけの問題ではなく、圧力下での材料の取り扱いや流れにも影響することが明らかになりました。たとえば、BUD60 はより大きな力に耐え、環境の変化に適応できるため、3D プリントや薬物送達などの用途に最適です。
これら 3 つの材料には共通点が 2 つあります。それは、ずり減粘挙動を示し、多量の水 (重量の約 93%) を含むことです。そのため、組織工学における細胞の成長をサポートする足場や、制御された方法で薬剤を送達するシステムなど、生物医学的用途に最適です。
「この研究は、単に生物学的機能を追加するのではなく、カスタマイズされた機械的特性を持つ生体材料をゼロから構築することに焦点を当てた最初の研究の1つです」と、生物科学の大学院生でこの研究の第一著者であるエスター・ヒメネス氏は述べた。「タンパク質配列に微妙な調整を加えることで、特定の機械的特性を持つ材料を設計する方法についての貴重な洞察が得られました。」

ELM 材料の潜在的な用途はバイオメディカル分野に限定されません。これらの自己組織化材料は、生分解性構造物の構築や自然プロセスを利用したエネルギー生成など、環境浄化や再生可能エネルギー用途にも使用できます。
「この研究は、配列・構造・特性の関係を理解することの重要性を強調している」と、ライス大学の生物科学専攻の上級生で、この研究の第二著者であるカールソン・グエン氏は述べた。「特定の遺伝子組み換えが材料特性にどのような影響を与えるかを判断することで、次世代の生体材料を設計するための基礎を築いている。」
この研究は、国立科学財団大学院研究フェローシップ、テキサス州癌予防研究局、ウェルチ財団の支援を受けて行われた。

ライス大学の研究者らが、生物構造の3Dプリントに新たな扉を開くカスタムエンジニアリングされた生体材料を開発

南昌市のすべての小中学校には3Dプリンターが備え付けられており、市場は巨大です。

本当に唯一無二です！日本の企業3Dwaveが3Dプリントのソニックリングを発売

ハイデルベルクは、COBOD BOD2 3D 建築プリンターを使用してヨーロッパ最大の 3D プリント建物を建設します

eSUNは2018年中国国際金型技術設備展示会（DMC）で素晴らしい存在感を示しました。

カルボッドデザインスタジオは3Dプリントと伝統的な建築を融合

フォードは 3D プリントを使用して効率的な製造を再構築 | Ultimaker の成功事例

3Dプリントプロジェクトは地球の生態環境を保護する上で大きな役割を果たすことができる

3Dプリント義手が指紋個人情報盗難につながる可能性

とても賢いですね！クラウドロボットは一度に数十台の3Dプリンターを管理できる

Shining 3Dは2017年のCESで新しい3Dプリンターと3Dスキャナーを発表します

推薦する

CONTEXT最新市場レポート：エントリーレベルの3Dプリンターが「爆発的な成長」を示し、中国企業が市場を独占

パキスタンのテレビ局が、青峰科技の3Dプリントインソール、メガネ、歯科製品、プリンターを放送

Lithoz と Fraunhofer IKTS が、パーソナライズされた骨のためのセラミック 3D プリントアプリケーションを開発

浙江大学のトップ学生が3Dプリント技術を使って結婚祝いのキャンディー、ダイヤモンドの指輪、人形を製作

WASP、EXPOSANITÀ 2024で革新的な医療用3Dプリントアプリケーションを発表

シーメンス、ストラタ、エティハド航空が3Dプリント航空機内装部品で提携

アルコニック、新しい3Dプリント用金属粉末を開発

3Dプリントで超強力、耐損傷性セラミックスを製造

MIT が魔法の 3D 印刷技術を実証: 印刷されたオブジェクトが絵画に変わる

GEアビエーションの3DプリントCatalystターボプロップエンジンがFAA認証を取得

3Dプリント気象ステーション：低コストで高精度な気象情報を予測し、防災・減災を実現します！

3Dスキャンは、デジタルカスタマイズ鼻形成術をコンセプトから応用へと移行するのに役立ちます

3Dプリントイオンセンサー、Nature Communications、SUSTech+1

AVIC Metalが中国非鉄金属産業科学技術賞の最優秀賞を受賞

デューク大学は、半月板などの軟骨インプラントの3Dプリント用の新しいハイドロゲル材料を開発しました。