2023 年には 3D バイオプリンティングに関してどのような研究が行われていますか?

出典: 医療とエンジニアリングの統合と変革

3D バイオプリンティングは、驚くべき歴史と科学的背景を持つ魅力的な最先端技術です。その発展は複数の分野の相互統合に根ざしており、将来の医学、バイオエンジニアリング、生物学研究に新たな可能性をもたらします。生物学的 3D プリンティングの背景は、3D プリンティング技術の台頭にまで遡ります。 3D プリンティングは 1980 年代に初めて登場し、デジタル設計を機械部品やプロトタイプモデルなどの物理的なオブジェクトに変換できるようになりました。これは製造業に大きな革命をもたらしましたが、科学者たちはすぐにこの技術を生物学分野にどのように応用するかについて考え始めました。

1980 年代後半、3D プリンティングは新しいタイプの製造技術として登場しました。
1990 年代後半、3D プリントは医療分野で初めて登場し、当初は主にカスタム義肢に使用されていました。
2011年、オランダの老婦人の下顎が3Dプリントされた金属に置き換えられ、3Dプリントインプラントの臨床応用の始まりとなった。

2023年現在、3Dバイオプリンティングは画期的な進歩を遂げています。生物学的 3D プリンティングの開発は、生体材料と細胞工学の徹底的な研究と切り離せません。生物学者は、細胞、細胞外マトリックス、バイオインクなど、印刷に適した生物学的材料を見つけるために懸命に取り組んでおり、印刷プロセス中にこれらの生物学的材料の成長と分化を制御し、複雑な生物学的構造を形成する方法についても研究しています。

急速に発展している技術として、パーソナライズ医療、人工臓器や組織モデル、薬物送達システム、センシング、ソフトロボティクスなど、多くの革新的な応用分野があります。バイオメディカル分野での 3D プリントの応用を皆様にさらに理解していただくために、EFL は 2023 年の生物学的 3D プリントに関する 9 つの高品質なレビューをまとめました。生物学的 3D プリントの最新の材料、技術、アプリケーション開発を詳しく見ていきましょう。

レビュー 1: 組織工学のためのヘテロ構造マルチマテリアル 3D および 4D バイオプリンティング ジャーナルと出版日: Advanced Materials (IF 29.4) 2023-09-22

応用分野: 組織工学

主な内容: 個別の材料を層ごとに形成して積み重ねる原理に基づく付加製造 (AM) は、組織工学 (TE) 用の複雑なインプラントの製造において大きな利点を示しています。しかし、多くの天然組織は、組成や機能が異なる異方性の不均質構造を示します。したがって、単一の材料に基づく従来の AM プロセスを使用して複雑なバイオニック構造を形成することは困難です。マルチマテリアル 3D および 4D バイオプリンティング (時間を第 4 次元とする) は、単一の材料よりもホストの微小環境をよりよく模倣できる異種構造を持つ多機能インプラントを構築するための可能なソリューションとして浮上しています。このレビューでは、TE アプリケーションにおける生体模倣ヘテロ構造の一般的な設計戦略を紹介し、異種組織構造のマルチマテリアル 3D および 4D バイオプリンティングの最新の進歩について説明します。特に、インテリジェントな多機能組織構造のマルチマテリアル 4D バイオプリンティングの可能性に重点を置いています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1002/adma.202307686

レビュー 2: ウェアラブルセンサー用ポリマー複合材料の 3D プリント: 包括的なレビュー ジャーナルと出版日: Materials Science and Engineering: R: Reports (IF 31.0) 2023-05-13

応用分野: ウェアラブルセンサー

主な内容: ウェアラブルセンサーは、ヘルスケアシステム、人間の動作検出、ロボット工学、人間とコンピューターの相互作用などのアプリケーションで大きな注目を集めており、これらのアプリケーションには伸縮性、柔軟性、非侵襲性を備えた材料が必要です。ポリマー複合材料は現在、研究の最前線にあり、革新的なウェアラブルセンサーを生み出す可能性を秘めています。 3D 印刷技術を使用すると、従来の製造技術では困難な作業であるウェアラブルセンサーを製造するために、高度にカスタマイズされスケーラブルなポリマー複合材料を取得できます。この記事では、ウェアラブルデバイスの製造において一般的に使用される導電性ナノ材料と 3D 印刷技術の応用展望について説明します。続いて、歪み、圧力、温度、湿度の検知など、3D プリントされたウェアラブルセンサーの研究の進捗、検知メカニズム、性能について議論されました。さらに、多方向、マルチモーダル、自己修復、自己発電、インサイチュ印刷、超音波センサーなどの新しい 3D プリント多機能センサーも紹介されています。今後の研究開発が直面する課題と動向について説明します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.mser.2023.100734

レビュー 3: 創傷治癒における 3D プリントの応用: 幹細胞の in vitro 送達と抗菌効果 ジャーナルと出版日: Advanced Drug Delivery Reviews (IF 16.1) 2023-04-15

用途: 創傷治癒

主な内容：慢性創傷患者数が世界的に増加し、患者にかかる経済的負担や社会的圧力が高まっています。幹細胞は、その豊富な供給源、強力な多方向分化能力、および急速な増殖速度により、組織工学の種子細胞となっています。しかし、皮膚病変の体外治療におけるそれらの使用は依然として困難です。さらに、創傷部位や環境中の細菌が創傷治癒に大きな影響を与える可能性があります。過去 10 年間で、3D バイオプリンティングにより細胞送達システムが大幅に強化されました。この技術によって作製された足場は細胞内に正確に配置でき、抗菌効果を発揮します。このレビューでは、3D バイオプリンティングに基づく幹細胞の in vitro 送達と創傷治癒に対する抗生物質促進効果についてまとめています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.addr.2023.114823

レビュー 4: バイオメディカル用途向けのバイオ機能化 3D プリント構造: 最近の進歩と将来の展望に関する批評的レビュー ジャーナルと出版日: Progress in Materials Science (IF 37.4) 2023-03-30

応用分野: 機能化バイオマテリアル

主な内容: 現在、ヘルスケアに革命を起こしている最大のトレンドの 1 つは、パーソナライズされ、再現可能で、アクセスしやすい治療を実現する、3D プリントとも呼ばれる高度な付加製造技術の導入です。物理的および生化学的シグナルによって制御される生物学的活動は、この広範囲にわたる新しい治療法にとって極めて重要です。このレビューでは、3D プリント構造上に生体分子を固定化する現在の生体機能化方法の能力と限界を批判的に検討し、最適な生体機能化アプローチに関する考慮事項を概説し、共通の要件を特定します。材料、生体分子、細胞、その他の固定化方法、およびさらなる応用の観点から、拡張と改善の機会が探究されています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101124

レビュー 5: パーソナライズされた骨の健康のための再生バイオマテリアルの設計、印刷、エンジニアリング ジャーナルと出版日: Progress in Materials Science (IF 37.4) 2023-01-16

応用分野: 骨組織工学

主な内容: 世界が高齢化するにつれ、骨の欠陥や外傷や病気に関連する疾患が何百万人もの人々を苦しめています。最近、積層造形（AM）と骨組織工学（BTE）の融合により、「設計」、「印刷」、「エンジニアリング」の入力を組み合わせて、関連するAMパラダイムに基づいてカスタマイズされた3D設計の（バイオ）スキャフォールドを生成し、宿主組織の生物学的/病理学的複雑さに対処する「パーソナライズされた骨ケア」の時代が到来しました。この論文では、この分野におけるさまざまな種類の 3D 印刷の基本理論、パラダイム、生体材料またはインクの選択、最新の進歩、将来の傾向を体系的にレビューします。このレビューは、骨の健康管理のための次世代 AM 生体材料の設計、開発、および応用に役立つガイダンスを提供します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101072

レビュー 6: 3D プリントによるバイオメディカルアプリケーション向けのカスタマイズ可能なマイクロニードルの設計と製造 ジャーナルと出版日: Bioactive Materials (IF 18.9) 2023-10-12

適用方向: カスタマイズ可能なマイクロニードル

主な内容: マイクロニードル (MN) は、治療、病気のモニタリング、診断などのさまざまな手順に低侵襲技術として長さ 10 ～ 1000 μm の針を使用する新興技術です。一般的に使用されているマイクロモールディング製造方法にはスケーラビリティの利点がありますが、マイクロモールディングでは、ナノネットワークの機能性と有効性を決定する重要な要素であるサイズ、形状、構造を迅速にカスタマイズすることはできません。 3D プリンティングは、精密なアプリケーションに必要な高精度の寸法の MN の製造を可能にし、パフォーマンスを向上させる可能性のある代替手段を提供します。さらに、3D プリントされた MN は、カスタマイズ性とワンステッププロセスにより、特にパーソナライズされたオンデマンド医療機器の分野で有望な成長の可能性を秘めています。このレビューでは、ナノ粒子を設計する際に考慮する必要がある主要なパラメータの概要を示し、新世代のナノ粒子を製造するためのさまざまな 3D 印刷技術を紹介し、バイオメディカル用途向けの 3D 印刷ナノ粒子の進歩に焦点を当てます。最後に、この論文では、3D プリンターの将来展望、特に市場参入の進捗状況についていくつかの洞察を提供します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.09.022

レビュー 7: 光重合バイオプリンティング ジャーナルと出版日: Nature Reviews Methods Primers (IF 39.5) 2023-06-22

応用方向: 光硬化性バイオプリンティングの幅広い応用

主な内容: 光重合バイオプリンティングでは、光活性化バイオ樹脂が充填された容器 (バット) を使用して、ポイントごと、レイヤーごと、または体積単位で 3D 細胞含有構造のコンピューター支援印刷を実行できます。この一連の技術は、動作モードによってステレオリソグラフィー、デジタル光処理、体積付加製造に分類され、過去数十年にわたって広範囲に開発され、バイオメディカル分野で幅広く応用されてきました。このレビューでは、ハードウェア、ソフトウェア、バイオレジンの選択の観点から光重合 3D バイオプリンティングの方法について説明し、続いてこれらの技術の方法論的バリエーションと最近の進歩について説明し、バイオプリンティングの手順と製品の品質を保証するために使用される重要な評価について詳しく説明します。最後に、光ベースの重合方法の将来の方向性についての洞察が提供されます。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s43586-023-00239-6

レビュー 8: ソフトロボット用 3D プリント PEDOT:PSS
ジャーナルと出版日: Nature Reviews Materials (IF 83.5) 2023-08-24

応用分野：ソフトロボティクス

主な内容: ソフトロボティクスは、感知、制御、または作動のために本質的に高いコンプライアンスを備えた導電性材料を必要とする新興技術です。ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリスチレンスルホン酸(PEDOT:PSS)は、調整可能な機械的特性、混合イオン伝導性と電子伝導性、優れた加工特性を備えた柔らかく柔軟な導電性ポリマーです。 PEDOT:PSS と高度な 3D プリンティングを組み合わせることで、ソフトマテリアルエンジニアリングとソフトロボティクスの分野に前例のない機会がもたらされました。この記事では、ソフトロボティクスの開発を加速するための導電性ポリマー 3D プリントの理論的背景と基本的な側面について詳しく説明します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41578-023-00587-5

レビュー 9: バイオエンジニアリングによる皮膚オルガノイド: 開発から応用まで ジャーナルと出版日: Military Medical Research (IF 21.1) 2023-08-22

用途: オルガノイド

主な内容: 近年、非常に複雑な皮膚オルガノイドの開発において大きな進歩がありました。これらのオルガノイドは、人間の皮膚を模倣した 3 次元モデルとして複雑な構造に進化しており、2 次元システムの限界や倫理的問題を克服できるため、従来の培養モデルや人間の皮膚の有効な代替手段としてますます考慮されるようになっています。皮膚オルガノイドの固有の可塑性により、生理学的および病理学的モデルに構築することができ、皮膚の発達と動的変化を研究することが可能になります。この記事では、3 次元の層状表皮から付属器を備えた嚢胞状の皮膚オルガノイドへと進歩した重要な研究をレビューします。さらに、3D プリントやマイクロ流体デバイスなどの最先端のエンジニアリング技術によって推進されるオルガノイド構築の最近の進歩についても取り上げます。発生生物学、疾患モデル、再生医療、個別化医療における皮膚オルガノイドの応用について検討、議論し、その展望と限界について考察します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1186/s40779-023-00475-7

これらのレビューでは、組織工学、ウェアラブルセンサー、創傷治癒など、さまざまな視点と分野からの 3D 印刷技術の最新の進歩と将来の開発動向を紹介しています。バイオメディカルにおける 3D プリンティングの成功には、適切な印刷技術と材料の選択が極めて重要であることを強調するだけでなく、印刷速度の向上、解像度と精度の向上、新しいバイオメディカル印刷材料の発見など、解決すべき問題も指摘しています。それぞれの 3D プリント技術には独自の利点と応用シナリオがありますが、いずれもさらなる研究と最適化が必要です。

これらの記事がさらなる思考と探究を刺激し、バイオメディカル分野における 3D プリント技術のより幅広い応用と発展を促進することを願っています。今後、人類の健康と医療にさらに貢献するための、より革新的な研究と技術革新が見られることを期待しています。

2023 年には 3D バイオプリンティングに関してどのような研究が行われていますか?

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