UMC UTRECHTの研究者が体積バイオプリンティングで大きな革新を達成

この投稿はCoco Bearによって2023-6-23 15:49に最後に編集されました。

ユトレヒト大学メディカルセンターの科学者たちは、体積バイオプリンティングにおいていくつかの革新を達成しました。バイオプリンティングは、生きた細胞や組織の 3D プリントであり、医療用途に可能性を秘めた付加製造技術です。しかし、生きた細胞や組織の 3D プリントには多くの課題があります。

UMC ユトレヒトの研究者たちは、3D バイオプリンティングの臨床利用の拡大に役立つと期待される 3 つの重要な進歩をこの分野で達成しました。

●3Dプリント細胞内に生物学的機能領域を作成する
●粒子ゲルを使用した細胞の3Dバイオプリンティングの最適化。
● 体積バイオプリンティングと溶融エレクトロライティングを組み合わせて血管を 3D プリントします。

生物学的に機能的な領域を持つ3Dプリント細胞

オリジナルのダウンロードアドレス: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admt.202300026

この重要な革新は、3D プリントされた細胞の生物学的機能に関連しています。体積バイオプリンティングと特殊なゲルを組み合わせることで、細胞を数秒で印刷できるようになります。しかし、従来の 3D バイオプリンティング方法では、これらの細胞を正確に操作し、必要な場所に正確に配置することはできません。さらに、ゲルは細胞の発生、成長、および特殊化を可能にするために編集することはできません。研究者たちは、最初の 3D バイオプリンティングプロセス後の 3D プリント材料の化学変化に取り組みました。これを実現するために、研究者らはゲルの多孔性と、ゲル内の他の分子に結合する内部の化合物を編集した。

研究者らは体積プリンターを使用してゼラチンベースの構造を印刷し、これらの構造に生体分子と光開始剤を注入することで、ゼラチン構造内に複雑な 3D モデルを作成することができました。これにより、成長因子や生理活性タンパク質を組み込んで「コーティング」できる組織の体積 3D バイオプリンティングが可能になります。論文の著者であるファランド氏は、これは生化学的に編集できるスマート材料を作成する上で重要なステップであり、細胞の行動と発達を導くことができるバイオファブリケーションの足場を作成する上で非常に有望であると考えています。

粒状ゲルを使用した3Dバイオプリンティングによる細胞の最適化

元のダウンロードアドレス: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.17.541111v1

3D プリントされた細胞が生き残り、成長できるようにするには、特別なケアが必要です。さらに、細胞が成長し、移動し、通信できることも重要です。押し出し 3D プリントにより、さまざまな種類の細胞を大量に堆積できます。しかし、このプロセスは時間がかかり、重力に依存し、細胞に機械的なストレスを引き起こします。体積バイオプリンティングでは、速度や重力への依存という欠点はありませんが、細胞がランダムに少数ずつ分散されます。さらに、細胞は効果的に機能したり通信したりすることができません。そのため、細胞が自己組織化して通信できるようにするソフトハイドロゲルなどの材料を使用する必要があります。しかし、従来のソフトハイドロゲルは3Dプリントの解像度と形状の忠実度に問題があったため、研究者らは粒状樹脂を使用してこれらの課題を克服しました。

「粒子ゲルは本質的にはゲルの小さな粒子が密集したものです。充填されたマイクロゲル粒子は、さまざまな追加特性を持つように設計およびカスタム充填することができます」と、論文の筆頭著者であるダビデ・リベッツィ氏は述べました。押し出し 3D 印刷プロセス中に、細胞やその他の化学物質を樹脂に迅速かつ正確に堆積させることができます。次に、体積 3D プリントを使用して、押し出されたセルの周囲に形状を作成し、プロセスを完了しました。細胞を使った実験により、粒状樹脂は印刷後に生物活性が増すことが明らかになりました。 3Dプリントから8日以内に、幹細胞はさらに広がることができ、上皮細胞はより多くの接続を作り、ニューロンのような細胞はより多くの接続を確立しました。

△複雑な共培養モデルには、中央チャネルを備えたボリュームプリント構造に埋め込まれた 2 つの異なる iβ 細胞グループ (異なる蛍光親油性膜染料で染色) が含まれています。

バイオプリンティング技術を融合し、より強く機能的な血管を実現

原著論文のダウンロードアドレス: https://doi.org/10.1002/adma.202300756

体積バイオプリンティングでは細胞に優しいゲルを使用するため、最終的な 3D プリント構造は壊れやすいことがよくあります。これは、高い圧力と曲げに耐える必要がある血管を製造するときに問題を引き起こす可能性があります。そこで研究者たちは、体積バイオプリンティングと溶融電気書き込みを組み合わせて、より強くて耐久性のある構造を作り出しました。溶融エレクトロライティングでは、溶融プラスチックの長くて細いフィラメントを使用して、複雑で強力な足場を 3D プリントします。しかし、電気書き込みでは高温になるため、バッテリーを直接 3D プリントすることはできません。

上記の問題に対処するため、研究者らは体積バイオプリンティングを使用して、細胞を含んだゲルを足場上に固めました。 3D プリントされた管状の足場は、感光性ゲルのバイアルに浸され、その後、体積プリンターに配置されました。 3D プリンターのレーザーは、ゲルをスキャフォールド上で選択的に硬化させることができます。

△ 20、40、60 層の溶融電着支持体を使用し、ボリューム印刷チューブの効果を高めます。

研究者らは、さまざまな足場の厚さとバイオプリントゲルのさまざまな位置をテストし、また、2層の幹細胞とその間に1層の上皮細胞がある模式図の血管を3Dプリントした。この設計により、3D プリントされた側面に穴を開けることができ、容器の透過性を制御できるようになります。分岐した血管や静脈弁を備えた血管など、より複雑な構造も生成されています。この研究の第一著者であるガブリエル・グロスバッハー氏は次のようにコメントしている。「これは原理実証研究です。これから必要なのは、幹細胞を実際の血管の一部である機能細胞に置き換えることです。」

△ 血管壁の層を模倣するために上皮細胞 (紫) と 2 種類の幹細胞 (青、黄) を使用したバイオプリント血管の断面。

3Dバイオプリンティングの開発

過去 10 年間で、3D バイオプリンティングはますます普及し、学術研究に特化した 3D バイオプリンティングシステムから商業分野へと拡大しました。現在、バイオプリンティングシステムのハードウェア機能は継続的に向上しており、商業化と材料の標準化に向けた明確な傾向があります。バイオプリンティング業界のあらゆる側面が繁栄し、革新を続け、市場でニッチな市場を切り開いていると言えます。

3D Systemsは2023年2月、バイオプリントされたヒト組織の開発と商品化を目的とした再生組織プログラム（RPT）の計画を発表しました。最初の RPT は、患者固有の再生乳房組織 (RBT) です。 3D Systems は、3D モデリングと 3D バイオプリンティングを仮想手術計画 (VSP) システムと組み合わせて使用することで、患者の解剖学的構造と生理機能に適合するバイオ統合スキャフォールドを設計し、3D プリントすることができます。

2023年4月、スウォンジー大学の研究者らは、人工鼻移植を必要とする人々のために、3Dプリントされたビーガン鼻を開発している。このプロセスでは、ナノセルロースハイドロゲルとヒアルロン酸がバイオインクとして使用され、人工軟骨の足場を 3D プリントしました。その後、生体触媒によって硬化され、強度が増します。 3D プリントされた足場は、外科手術で移植される前に患者の軟骨細胞の溶液に浸されます。

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