湖北大学の研究チームは、高忠実度光硬化生物3Dプリントを容易にするための新しい光散乱抑制メカニズムを提案した。

出典：中国機械工学協会

ステレオリソグラフィー 3D プリント技術は、光を使用して材料を固める 3D プリント方法です。特殊な感光材料を印刷材料として使用し、光照射により液体材料を固体に凝固させ、高精度で複雑な幾何学的構造の印刷を実現します。

光硬化型 3D 印刷技術は、バイオインク (細胞を含む原材料の印刷) の印刷にも使用でき、複雑なアクティブ幾何学構造の構築に使用でき、組織工学、薬物の徐放、インプラントなどの生物医学研究分野で幅広い用途があります。

しかし、湖南大学の韓暁教授率いる研究グループは、照明時の屈折率の違いにより、液体と固体の界面、細胞とハイドロゲルの界面で深刻な物理的な光の散乱が発生することを発見しました。その結果、印刷する必要のない部分のバイオインクが固まってしまい、印刷の精度が低下します。したがって、この方法を使用して一部のバイオニック構造を印刷することは困難です。

写真 | ハン・シャオシャオ（出典：ハン・シャオシャオ）
最近の研究では、研究チームは上記の散乱問題を抑制する方法を提案し、対応する添加物であるウコンナトリウム（Cur-Na）を調製しました。この方法は、次の 2 つの側面から散乱を抑制します。

一方では、余分な散乱光を吸収し、光の浸透深度を減らし、非印刷領域の散乱光を減らすという物理的な方法があります。

一方、化学的方法もあります。これは、クルクミンナトリウムがバイオインク内の光によって生成されたフリーラジカルと化学反応し、反応速度がハイドロゲルの架橋反応よりも速いためです。これにより、非対象領域でのハイドロゲルの重合速度が低下します。

また、クルクミンナトリウムの反応生成物は液体であるため、印刷終了後に直接洗い流すことができ、目的以外の部分の固化を2つの側面から抑制し、印刷精度を向上させます。

上記の方法により、血管ステント、脊髄ステント、最小三周期面など、細胞機能を備えたさまざまな複雑な構造を印刷することに成功し、この方法で製造された複雑な構造は優れた生体適合性を備えていることが証明され、臓器印刷や組織工学への応用の可能性を示しました。

これまで、学術界では、以下の理由から、細胞運搬用足場の構造設計にあまり注意が払われていませんでした。

まず、構造最適化は工学分野ではよく使われる手法ですが、生物学分野ではあまり使われていません。研究チームは、異なる構造が実際には生物学的パフォーマンスに大きな影響を与えることを発見しました。

第二に、最適化された構造はより複雑で、製造が困難です。この成果により製造プロセスの問題が解決され、最適化された構造を準備できるようになり、将来の埋め込み型ステントの応用の基盤が築かれることになります。

現在、研究チームは関連病院と提携して、細胞増殖のシミュレーションからスキャフォールド構造の設計と最適化、バイオインクの構成、複雑な構造の製造、そしてスキャフォールドの生物学的機能を検証するための動物実験まで、バイオニックスキャフォールドのフルサイクルのカスタマイズを主に目的としたフォローアップ応用研究を行っています。

研究チームはすでに動物実験を実施していると報じられている。予備的な結果によると、最適化された細胞搭載型スキャフォールドは、血管新生、細胞増殖、薬物放出において従来のスキャフォールドに比べて大きな利点があり、将来的には細胞搭載型移植スキャフォールドやオルガノイドに使用されることが期待されています。

（出典：ネイチャーコミュニケーションズ）
ハン・シャオシャオ氏は、「他の科学研究チームの文献を横並びで比較したところ、私たちの方法が光硬化バイオプリンティングの精度を大幅に向上させ、この分野に比較的重要な貢献をする可能性もあることがわかったので、ネイチャー・コミュニケーションズに論文を提出することにした」と語った。研究の過程で、ハン・シャオシャオ氏は論文の第一著者である博士課程の学生、ヘ・ニン氏の成長も見てきた。機械工学を専攻する学生として、He Ning さんは自分の分野の限界を打ち破るという課題に直面しています。彼は、光硬化プロセスにおける物理的欠陥は、化学と材料科学の分野を融合することによってのみ解決できることに気づきました。「これは彼にとって大きな挑戦だったが、彼はひるむことはなかった。むしろ、困難を克服する決意を固め、生物学の専門家や細胞実験チームとともにこの研究を成し遂げた」とハン・シャオシャオ氏は語った。

最終的に、関連論文が「光吸収とフリーラジカル反応の同時発生による光阻害と高忠実度光ベースバイオプリンティング」というタイトルでNature Communications[1]に掲載されました。湖南大学博士課程の何寧氏が筆頭著者であり、湖南大学機械交通工学部の韓暁暁教授と陳鋒准教授が責任著者である。

図 | 関連論文（出典：Nature Communications）
今後は、印刷性能をさらに最適化し、さらに多くの材料を探索し、光硬化散乱抑制アプリケーションに使用していく予定です。さらに、研究チームはさまざまな分野での協力も模索し、バイオニック複合細胞搭載生物学的足場の応用分野の拡大に努めます。同時に、新たな研究の方向性も模索されます。散乱の問題は光硬化バイオプリンティングだけに存在するのではなく、光硬化セラミック、ガラスなどの印刷分野でも非常に重要な共通の問題です。そのため、彼らは他のチームと協力していくつかの調査を実施します。

「この成果の応用と変革を促進するために、私たちは一連の研究の進展を加速し、その成果を実際の応用や製品に変換するために、関係する業界や機関との協力も積極的に模索しています。」

また、ハン・シャオシャオ氏は以前、英国で修士課程と博士課程を修了し、英国の大学で講師として働いていたとも報じられている。「私は合計13年間を英国で過ごしました。英国滞在中に研究チームを結成し、独立したPIの役割を引き受けました」と彼女は語った。

独立したPIとして3年間活動した後、彼女は湖南大学とのつながりを確立し、中国に戻りました。彼はこう語った。「私の研究分野は生物学、機械工学、医学、材料化学などの分野にまたがっており、非常に分野横断的であるため、この決断をしました。海外では、いくつかの科学的研究のアイデアを実現するのは比較的難しいと感じました。湖南大学は私により高いプラットフォームを提供してくれます。」

例えば、この論文の著者は全員湖南省出身で、湖南大学生命科学学院、材料科学学院、湖南農業大学の教員も含まれています。「この科学研究環境は、私たちの学際的な研究に良いサポートを提供していると思います。湖南大学に戻ることを選んだのは、私の科学研究の方向性にとって正しく賢明な決断です」とハン・シャオシャオさんは語った。

湖北大学の研究チームは、高忠実度光硬化生物3Dプリントを容易にするための新しい光散乱抑制メカニズムを提案した。

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