機械的メタマテリアル：バイオメディカルのための付加製造

出典: Extreme Manufacturing 著者: Chen Junsheng1、Chen Jibing1、Wang Hongze2、He Liang3、Huang Boyang4、Sasan Dadbakhsh5、Paulo Bartolo4
機関: 1. 武漢理工大学 2. 上海交通大学 3. 四川大学 4. 南洋理工大学（シンガポール） 5. スウェーデン王立工科大学

世界的な高齢化の傾向を背景に、高齢化社会のヘルスケアニーズに対応できる生体材料の需要が高まっています。生体材料は機能的インプラントの製造において重要な役割を果たし、病気や怪我の後に患者が形状と機能を回復できるようにします。近年、バイオメディカル分野における機械的メタマテリアルの応用は大きな進歩を遂げています。これらのメタマテリアルは、微細構造を正確に制御することで特定の機能を実現できる独自の構造と特性を備えています。

機械的メタマテリアルの付加製造とバイオメディカル分野におけるその応用が新たな話題となっています。しかし、この研究の包括的なレビューは欠けています。このギャップを埋めるために、本論文ではバイオメディカル分野における積層造形とメタマテリアルの最新の進歩を体系的にレビューします (図 1)。

図 1. バイオメディカル分野、特に機械的メタマテリアルの製造における積層造形技術の応用。
最近、武漢理工大学の修士課程学生である陳俊生氏と准教授の陳吉兵氏、上海交通大学の王洪澤教授、四川大学の何良教授、スウェーデン王立工科大学のササン・ダドバクシュ教授、シンガポール南洋理工大学の博士課程学生である黄博洋氏とパウロ・バルトロ氏は、SCIジャーナルのInternational Journal of Extreme Manufacturing（IJEM）に「バイオメディカルアプリケーションのための付加製造による機械的メタマテリアルの製造と開発：レビュー」と題する論文を発表しました。この論文は、バイオメディカル分野における付加製造の応用における最先端の進歩をレビューし、バイオメディカル分野の発展にとって非常に重要な、生体模倣構造（図2）に基づくメタマテリアルの開発アイデアを提案しました。

図 2 動物バイオニック機械メタマテリアルの応用。
ハイライト
1. 多孔質生体医療構造を製造するためのさまざまな付加製造技術を紹介します。
2. 金属材料、ポリマー、セラミックから活性細胞まで、さまざまな生体医療材料の概要。
3. 反復格子、TPMS から自然に着想を得た構造まで、さまざまな構造のデザインをまとめます。
4. 積層造形バイオメディカル材料の今後の応用展望と開発動向を展望する。

グラフィカル分析<br /> 図 3 は、バイオメディカル分野における押し出し積層造形技術のさまざまな応用シナリオを示しています。図 3a 押し出しベースの 3D 印刷技術を使用して、ポリ乳酸 (PLLA) ナノファイバー、ヒト脂肪由来幹細胞 (hASC)、およびアルギン酸ハイドロゲルで構成されたナノファイバーバイオインクを使用して印刷された柔らかい半月板を印刷しました。ナノファイバーを含むこのバイオインクは、より高いレベルの細胞増殖を達成し、軟骨組織構造の形成を促進することが示されています。図 3b は、マクロ多孔構造を持つ HA スキャフォールドをヤギの手根骨と中足骨に移植した様子を示しています。多孔質スキャフォールドにヒト骨形成タンパク質-2 (rhBMP-2) を添加すると、骨組織で満たされた空隙の割合が増加し、治癒が促進されることが確認されました。図 3c は、皮膚組織の修復に適した高多孔性コラーゲンスキャフォールドのクライオマッピング方法を示しています。効果的な細胞移動と高度に分化したケラチノサイトの生成も、スキャフォールドの優れた生体適合性を実証しました。

図 3 バイオメディカル分野における押出技術のさまざまな応用シナリオ。
要約と展望<br /> 将来的には、特殊な付加製造技術としてのバイオプリンティングにより、生体材料、成長因子、細胞を精密に設計して、複雑な組織構造を実現できるようになります。人工知能 (AI) も、バイオプリント構造と機械的メタマテリアルの設計と機能を最適化することで、これらの技術の進歩においてますます重要な役割を果たすようになります。 AI アルゴリズムは、細胞の生存と機能を最適化するために、微細構造、バイオプリンティングパラメータ、材料構成に基づいてインプラントの機械的特性を予測することが期待されています。

著者について

陳俊生武漢理工大学

陳俊生さんは武漢理工大学機械工学学院の修士課程の学生で、陳吉兵准教授の指導を受けています。彼の主な研究分野は、付加製造技術 (3D プリント) です。大学院在学中、彼は「Int. J. Extreme Manuf.」や「Trans. Nonferr. Metals Soc. China」などのジャーナルに 3 つの SCI 論文を発表しました。

陳吉兵武漢理工大学

Chen Jibing、博士、准教授、修士課程の指導者。華中科技大学で材料加工工学の学位を取得し、主に金属/複合材積層造形技術（3Dプリント）、電子パッケージング技術、高出力デバイスの信頼性の研究に従事しています。湖北省機械工学協会のプラスチック工学専門委員会の理事も務めています。彼は、「Int。J。Extreme Manuf」、「Biofabrication」、「J.Manuf。Process」などの国内および外国の雑誌の第一著者または対応する著者として50以上の学術論文を発表しました。機械的な大学の学生は、全国/州の競技に参加するように導き、10を超える最初の賞を獲得し、10を超える国家、地方、閣僚プロジェクトを統治または参加しました科学技術」と「はんだ付けと表面マウントテクノロジー」。

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