《科学レポート》：バイオ3Dプリントされたアルギン酸ゼラチン多層メソ構造

出典: Qiyu Technology

2023年7月12日、ドイツのフリードリヒ・アレクサンダー大学の研究者らは、Scientific Reports誌に「多層3Dバイオプリンティングとアルギン酸ゼラチンメソ構造の複雑な機械的特性」と題する研究論文を発表し、アルギン酸ゼラチン（AG）ハイドロゲルを3Dプリントして微細なメソ構造を作製し、適切な印刷パラメータを決定して構造の機械的特性を改善したことを報告した。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1038/s41598-023-38323-2

研究紹介

バイオメディカル分野では、押し出しベースの 3D バイオプリンティングは組織代替品を製造するための新しい技術ですが、良好な印刷性を確保し、高い形状忠実度、設計モデルとの類似性、制御可能な機械的特性を備えた最終的な印刷構造を生成するための適切なバイオインクと再現可能な手順を見つけるのにまだ苦労しています。この研究の主な目的は、アルギン酸ゼラチン (AG) ハイドロゲルの多層構造を 3D プリントし、押し出しプロセスと幾何学的パラメータの影響を分析して、その複雑な機械的特性を定量化することでした。

この論文では、AG ハイドロゲルのレオロジーおよび印刷可能性の研究を制御および改善するための、予冷却ステップと最適化された印刷パラメータを含むプロセスについて説明します。このプロセスにより、AG ハイドロゲルの印刷性と流動安定性が大幅に向上し、設計されたモデルと同様の構造を製造することに成功しました。その後の複雑な機械的分析により、押し出しプロセスとメソ構造（細孔サイズ、層の高さ、フィラメントの直径によって特徴付けられる）が、印刷された材料の複雑な機械的応答を大幅に変化させることが明らかになりました。

私たちの研究結果は、将来の 3D バイオプリンティングの応用、特に天然組織に類似した優れた構造的完全性と明確な機械的特性を備えた代替品を生産する軟組織工学の分野に重要な意味を持ちます。

研究内容の解釈

この研究の目的は、精密な印刷構造を準備し、押し出しプロセスとさまざまなメソ構造が 3D 印刷構造の最終的な機械的特性に与える影響を調査することです。研究者らは、冷却ステップを追加し、レオロジー測定と印刷性能研究に基づいて適切な印刷パラメータを決定することで、改良され再現性のある AG バイオインクバイオプリンティング手順を開発しました。これにより、幾何学的パラメータを正確に制御しながら、多層サンプルを正常に印刷できるようになります。成形および印刷された円筒形サンプルを同時に特性評価し、比較して、押出プロセスが結果として得られる機械的特性に与える影響を調査しました。最後に、異なるフィラメント径、細孔サイズ、層の高さを持つハイドロゲル構造を作製し、周期的な圧縮および応力緩和負荷時の最終構造の複雑な応答に対するさまざまなメソ構造の影響を評価しました。

図 1 印刷プロセスを最適化するために使用される基本ステップの概略図: レオロジー測定と印刷性テストを組み合わせた予冷ステップを使用して、印刷性の高い AG バイオインクを準備し、さまざまなメソ構造と粘弾性を持つさまざまな 3D 構造を作成します。

図2 AGバイオインクのレオロジー特性に対する冷却ステップの影響。

図3 AGバイオインクの印刷性テスト。

図4 印刷パラメータがフィラメント幅に与える影響。

図5 印刷サンプルと成形サンプルの機械的特性の比較。

図 6 AG バイオインクで印刷されたさまざまなメソ構造の設計パラメータと CAD モデル。

図 7 7 つの印刷パターンの光学画像とその構造的完全性。

結論

この研究では、AG バイオインクの印刷性を向上させるために、冷却プロセスとレオロジー試験に基づく印刷パラメータの最適化を含む新しい手順を使用して、高度な幾何学パラメータ制御を備えた多層構造の印刷に成功し、押し出しプロセスによって印刷されたハイドロゲル構造の機械的特性が大幅に変化することを実証しました。 3D プリントされた構造はそれぞれ層の高さ、細孔サイズ、繊維径が異なり、最大応力が引張で 1.05 ～ 4.23 kPa、圧力で 1.62 ～ 4.69 kPa の範囲にあるなど、異なる機械的特性と、変化した応力緩和挙動を生み出しました。
私たちの研究結果は、バイオプリント構造の機械的挙動を調整する上での幾何学的特性の重要性を浮き彫りにしており、これは特に軟組織工学の用途において、異なる機械的特性を持つさまざまな組織を模倣する材料の将来の設計に重要な意味を持ちます。 AG ハイドロゲルを調製および印刷するための提案された方法は、細胞バイオプリンティング法とも互換性があり、将来的にはさまざまな形状と機械的特性を持つ精密な細胞含有構造を印刷するために使用できます。

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