ウォータールー大学: 3D プリント創傷被覆材 - 火傷や癌の治療の改善

はじめに: 多機能ハイドロゲルの 3D プリントは、カスタム設計された形状と構造を提供することで、革新的なバイオメディカル技術を開発する大きな機会を提供します。 3D 印刷技術は現在大きく進歩していますが、既存の印刷可能なハイドロゲル材料によってこの進歩は制限されています。

2023 年 6 月、アンタークティックベアは、ウォータールー大学の研究者が、火傷治療、がん治療、化粧品業界での応用が期待される、革新的でカスタマイズ可能な創傷被覆材を開発したことを知りました。スマートハイドロゲル素材で作られたこの包帯は、特に火傷や癌の患者にとって、現在の医療現場における最大の問題のいくつかを軽減する可能性を秘めています。この研究は、「3D プリント医療用ハイドロゲルマスク向けマルチ熱応答性二重ネットワーク複合ハイドロゲル」というタイトルで、Journal of Colloid and Interface Science (SCI Zone 1) に掲載されました。

研究の重要性 火傷患者は、頻繁に痛みを伴う包帯の交換を行わなければならないことがよくあります。先進的なポリマーから作られた新開発の創傷被覆材は、この痛みを軽減し、治癒プロセスを早めるように設計されています。チームは、カスタマイズ可能な包帯を確実にするために 3D プリントを採用し、患者の特定のニーズを満たすように正確にフィットする創傷包帯を可能にしました。

研究者らは患者の体の部位を3Dスキャンし、包帯がさまざまな種類の表面とうまく接触していることを確認した。カスタマイズされた特性を持つこの包帯は、鼻や指などの部位の火傷の治療に特に効果的です。この新素材は火傷治療への応用に加え、がん治療にも革命を起こす可能性がある。従来の化学療法では、クリニックで何時間も過ごす必要があり、患者にとっては疲れや不快感を伴うプロセスとなる場合があります。スマートハイドロゲルドレッシングは、臨床現場以外でも薬剤を継続的に放出し、治療中の患者の快適性を向上させる代替手段を提供します。

研究内容 「スマートドレッシング」を作成するために、研究チームは海藻由来のバイオポリマー材料、熱応答性ポリマー、セルロースナノ結晶を選択しました。ドレッシングは熱に反応する性質があるため、皮膚上で加熱し、その後室温までゆっくり冷却することで接着性を高めます。包帯は冷蔵庫で冷やすと膨張しますが、体温で小さくなるため、取り外しが簡単で痛みも少なくなります。さらに、包帯は薬剤をゆっくりと放出し、痛みの緩和期間を延長します。

● 3Dプリント可能なPNIPAM-アルギン酸二重ネットワークハイドロゲル樹脂の設計と調製 研究者らはアルギン酸を使用してPNIPAMとの二重ネットワークを形成した。アルギン酸は、イオン相互作用によって物理的に架橋できる生物由来のポリマーであり、PNIPAM ハイドロゲルの機械的特性の調整によく使用されます。樹脂印刷用の PNIPAM とアルギン酸前駆体の配合は、従来の押し出し印刷よりも困難です。これは、樹脂印刷では、良好な樹脂の流れと最小限の溶媒蒸発を必要とする UV 重合によって層ごとに構造を構築するためです。

● PNIPAM-アルギン酸ナノ複合ハイドロゲルの熱応答性膨潤・収縮 ハイドロゲルの温度応答挙動を調査するために、印刷されたハイドロゲルキューブに対して 4°C、20°C、40°C の 3 つの温度で一連の寸法測定を実行しました。

△ ハイドロゲルの伸縮性膨張・収縮挙動

● 3DプリントされたPNIPAmアルギン酸ナノ複合ハイドロゲル部品の熱感受性機械特性のテスト 3D プリントされたハイドロゲルの温度応答挙動を調査するために、研究者らは 2 つの LC-ST に対してそれぞれ 4°C、20°C、40°C で引張テストと圧縮テストを実施しました。研究では、ハイドロゲルは折りたたまれた状態でも高い引張強度を持つことが判明した。ハイドロゲルの初期引張強度は弱く、最大引張強度は 4 °C で 71 kPa、典型的な破断点は 60 kPa です。 20 °C では、サンプルは 200 kPa (平均破断点 168 kPa) でより高い極限引張強度を示し、ひずみは 110% 増加しました。この傾向は 40 °C でも継続し、極限引張強度は 522 kPa (平均破断点は 484 kPa)、ひずみは 220% でした。ハイドロゲルは引張特性に加えて、高い圧縮強度も示します。

● PNIPAM-アルギン酸ナノ複合ハイドロゲルの熱応答性薬剤充填および放出特性 ハイドロゲルの薬剤充填および放出能力を試験するために、モデル薬剤であるローダミン B を 4°C の水溶液に浸して薬剤を充填しました。 37 °C では、最初の 1 時間以内に溶液濃度が大幅に増加し、充填された薬剤の約 25% が放出されました。ローダミン B の放出率は測定中ずっと増加し続けましたが、最初の 5 時間以内に減少しました。これは、放出がハイドロゲルの崩壊による圧力駆動から、ハイドロゲルが平衡に達したことによる拡散駆動に移行したためです。 37°C での放出速度は、20°C および 4°C での放出速度 (それぞれ 27%/h および 14%/h) よりも大幅に速かった。

●ハイドロゲルの感熱接着 創傷被覆材は自己粘着性であることが望ましいので、追加の医療用接着剤は不要です。粘着性の創傷被覆材も必要に応じて除去する必要があります。この研究におけるハイドロゲルシステムは、自然な体温によって調節されるこれらの望ましい機能を提供できる可能性があります。

研究概要と展望 研究者らは、薬剤を放出できる本格的な3Dプリント医療用マスクの製造に使用できる新しい温度応答性ハイドロゲルの開発に成功し、パーソナライズされた創傷被覆材に適したものとなった。チームはこの課題を達成するために、台湾の3DプリンターメーカーPhrozenのSonic XL 4K 3Dプリンターを使用しました。

△3Dモデルからカスタムデザインのマスクまで、ハイドロゲル樹脂の高い印刷忠実度を実証。

この技術は火傷患者やガン患者の治療だけでなく、美容・化粧品業界にも応用でき、形成外科医にも役立つ可能性がある。エステティシャンは、3D スキャン技術を使用して顧客の顔の特徴を分析し、特定の顔と肌のケア製品を注入したハイドロゲルマスクをカスタマイズできます。

全体的に、創傷ケアの分野では 3D プリント技術の使用により大きな進歩が見られました。 2018年、ウェイクフォレスト再生医療研究所のチームは、創傷に直接二重層の皮膚を印刷し、組織の堆積を創傷の特定の寸法に合わせてカスタマイズできるモバイル皮膚バイオプリンティングシステムを開発しました。 2019年、オーストラリアのRMIT大学の科学者たちは、火傷や潰瘍、その他の重傷を治療するための革新的なソリューションとなるカスタム保護バリアを3Dプリントする方法を考案しました。さらに、2018年には、トロント大学とサニーブルック研究所を通じて、深い傷を覆い治癒するための均一な皮膚組織の層が堆積されました。これらの研究は、創傷治療における 3D プリントの可能性を実証しており、治癒を早め、患者の快適性を向上させ、患者に合わせた治療を提供することができます。

今後の研究では、抗菌粒子でハイドロゲルを強化し、その配合成分を改良して、材料をより健康的で商業的に実現可能なものにすることに重点が置かれる予定です。
オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.02.021

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