《AM》: 非侵襲性の生体内3Dバイオプリンティング！骨折の修復

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

組織工学の足場材料は、患者の生理学的保護と治療に必要なサポートを提供します。残念ながら、このデバイスの移植プロセスには、外科的合併症や感染のリスクが伴います。そこで、昆明科技大学の徐旭慧教授チームと成都大学の于雪教授チームが協力し、侵襲的手術なしで生体内成形を実現するアップコンバージョンナノ粒子（UCNPs）支援バイオ3Dプリント法を開発しました。合理的に設計された UCNP は、皮膚組織を透過する近赤外線 (NIR) 光子を青紫色光 (300～500 nm) に変換し、生体内でモノマーの重合および硬化プロセスを誘発します。溶融堆積モデリング調整フレームワークを使用すると、正確に事前に決定された近赤外線レーザー軌道によって、カスタマイズされた形状の埋め込み型医療機器を製造でき、非侵襲性骨折固定ステントの 3D バイオプリンティングを成功裏に達成し、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方法を実証できます。関連論文「非侵襲的生体内成形のためのアップコンバージョン 3D バイオプリンティング」が、2024 年 1 月 11 日に Advanced Materials 誌に掲載されました。

本稿では、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 バイオプリンティング骨折固定システムを提案します。近赤外線連続波 (CW) レーザーを固定するために 3D 座標位置決めフレームが使用され、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 3D ブラケットモデルが使用されました。バイオリンカーとして UCNP を含むモノマー溶液は、生体内で非侵襲的にカスタマイズされた形状に印刷されます。

図1 骨折の非侵襲的固定のための生体内UCNPS支援3Dバイオプリンティングの模式図

この研究では、効率的な光重合のために青紫色の発光を調節するようにコアシェル NaYF4: Tm3+@NaYbF4@NaYF4 を設計しました。この研究では、Tm3+ドーピング濃度5%のNaYF4 UCNPシリーズをホットインジェクション法で層ごとに合成しました：Tm3+@NaYF4@NaYF4（図2）。コア材料（NaYF4:Tm3+）の代表的な透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、平均粒子サイズが約65 nmの単分散六角形粒子を示しています（図2a）。合成されたコアシェル UCNP の形態は、透過型電子顕微鏡 (TEM) と高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡 (HAADF-STEM) を使用してさらに評価されました。 TEM 画像は、コアシェル粒子が均一に分布し、単分散であることを示しており、中間の NaYF4 (図 2b) と不活性 NaYF4 (図 2d) のシェルの厚さはそれぞれ 9.28 nm と 13.75 nm でした。さらに、図2c、eに示すHRTEM画像内のNaYF4: Tm3+@ NaYF4およびNaYF4: Tm3+@ NaYF4@ NaYF4に対応する高速フーリエ変換パターンは、調製されたUCNPが十分に結晶化されていることを示しています。得られたサンプルのXRDスペクトルと対応する構造底部のシミュレーション結果を図2fに示します。エネルギー分散型X線（EDX）スペクトル分析により、不均一なコアシェル構造とNa、Y、Yb、F、Tmの均一な元素分布がさらに確認されました（図2g）。

図2 合成されたUCNPの微細構造特性

異なるコアシェル構造を持つ設計された UCNP の発光特性と光硬化効果を図 3 に示します。図3aは、同じTm3+濃度の対応するUCNPの光ルミネッセンス（PL）スペクトルを示しています。さらに、Yb3+イオン増感剤とTm3+イオン活性剤の濃度を調整することにより、対応するUCNPの発光特性がさらに選択的に最適化されました（図3b）。光開始剤の吸収範囲内での UCNP の PL 性能も研究されました (図 3d)。 UCNP の近赤外線誘起光重合性能を図 3e に示します。図 3f に示すように、UCNP 開始剤の効率を評価するために、異なる露光時間と NIR 光出力での光硬化率を決定しました。

図3 合成されたUCNPsサンプルのPL特性と光硬化の評価

この方法を使用して、斜骨折 (図 4a)、粉砕骨折 (図 4b)、T 字型骨折、横断骨折用のさまざまな骨折固定ブラケットを印刷しました。図 4a、b の I、II、III でマークされた画像は、それぞれ骨折前、骨折後、3D 骨固定を示しており、IV でマークされた画像は、対応するスキャフォールドの拡大図を示しています。図 4c は実験用ラットの骨折の画像を示しています。続いて、バイオインク溶液を実験ラットの骨折部位に注入しました（図4d）。コンピュータ制御により、NIR フォーカスが計画された経路に沿って移動し、バイオインク溶液を形成します (図 4e)。ステントは非侵襲的に生体内で骨折部位に固定された（図4f）。これは、UCNPS 支援による生体内非侵襲性 NIR 3D バイオプリンティング技術が、医原性損傷を最小限に抑えながら臓器再建のために複雑な組織をその場で準備する可能性を秘めていることを示唆しています。

図4 UCNPS支援3Dバイオプリンティング技術の骨折内固定への応用

要約すると、研究チームは、UCNP 支援近赤外線重合プロセスに基づいて、調整フレームワークを使用した生体内非侵襲性 3D バイオプリンティング法を開発しました。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。座標位置決めフレームワークは、近赤外線レーザーを所定の軌道に沿って正確に移動させるために、指定された 3D モデルに基づいてオブジェクトを作成するために使用されます。したがって、カスタマイズされた足場は、骨折修復のために局所骨折部位に皮下注入されたバイオインクから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。

論文: https://doi.org/10.1002/adma.202310617

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