UMCユトレヒトが生体組織の準備のための新しい体積バイオプリンティングソリューションを発表

はじめに: 3D バイオプリンティングは、生きた細胞や組織を印刷の原料として使用する新興技術です。科学者たちは、この技術を使用して患者自身の細胞から臓器を培養し、臓器提供者の不足の問題を解決できる日が来ることを期待しています。しかし、生きた組織や細胞を印刷することは非常に複雑であり、実現するには多くの障害を克服する必要があります。
2023年6月11日、Antarctic Bearは、UMC Utrechtが最近、バイオプリンティング技術の開発を促進し、臨床的価値を高める3つの新しい体積バイオプリンティングソリューションを開発したことを知りました。

体積バイオプリンティングの台頭 3D バイオプリンティングに関して、まず思い浮かぶのは、古典的なプラスチックフィラメント押し出し 3D プリンティング方法、つまり熱溶解積層法 (FDM) です。この印刷方法は過去 15 年ほどで普及し、低価格のプリンターが広く普及しました。原理的には、プラスチックフィラメントをさまざまな種類の細胞に置き換えて、生物学的に機能的な組織を印刷することが可能になるはずです。しかし、この目標を達成するには、非常に詳細で分化した組織を作製する必要があります。1立方ミリメートルの臓器組織でも毛細血管が必要なので、必要な機能組織を作製したい場合、プリンターを臨床規模で使用するには、そのハードルを非常に高く設定する必要があります。
バイオインクの開発により、押し出しベースの 3D バイオプリンティングが可能になります。新しいノズル、栄養インク、プレファブリケーションされた足場により、細胞がこの過程を生き延びることが容易になります。さまざまなインクを同時に使用することで、さまざまな種類の細胞を堆積させて組織を作成できます。しかし、層ごとに印刷するには依然として長い時間がかかり、数立方センチメートルの物体の場合は数時間かかり、その過程で細胞が死滅する可能性があります。さらに、押し出し印刷では重力に耐える必要があるため、インクは固体である必要があり、細胞にはあまり適していません。
この遅く重力に依存するプロセスを克服するために、バイオプリンティングでは体積印刷モデルも提案されています。このプロセスでは、特殊なゲルが入った回転するバイアルがレーザーにさらされます。レーザーが照射された箇所では、感光性ゲルがすぐに固まります。つまり、レーザー 3D 光再構成により、数立方センチメートルの複雑な形状を数秒で作成できるということです。さて、これは速度と重力の問題は解決しますが、独自の欠点もあります。このように、これらの感光性ゲルには懸濁液中の細胞しか含まれていないため、どの種類の細胞が最終的にどこに行き着くか、また対象領域にいくつの細胞があるかを制御することは困難です。また、ゲルが非常に硬いため、組織の形成や機能に不可欠な細胞の移動、伸張、細胞同士のコミュニケーションが困難になります。
ユトレヒト再生医療センターでは、研究者たちがこれらの課題を克服するために懸命に取り組んでおり、以下で説明する論文はそれぞれその課題の一部を取り上げています。
印刷サンプルに生物学的機能領域を作成する 体積バイオプリンティング技術は、数秒でセンチメートルサイズのオブジェクトを印刷できるため、細胞印刷のさまざまな可能性を切り開きます。プロセスのスピードとゲルの細胞親和性の組み合わせは大きな利点です。しかし、印刷が完了すると、細胞は必要な場所に正確に配置されない可能性があり、また、細胞が発達、成長、または機能的な組織を生成するために特化できるようにゲルを変更することもできない可能性があります。したがって、この障害を克服することが重要です。私たちの体では、細胞は特定の領域または組織で感知した信号に従って、どこへ行くべきか、どこに留まるべきかを認識しています。
ゲル印刷機能の追加 最初の印刷プロセスの後に印刷物を化学的に修正できるようにするため、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ゲル内の化合物を研究した。「この技術により、数分以内に高い空間解像度で、印刷した構造に生体分子を接合することが可能です」と、論文の第一著者であるマーク・ファランド氏は説明します。「まず、容積測定プリンターでゼラチンベースの構造を印刷し、次に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 モデルを作成できます。このアプローチにより、生体分子を捕捉したい場所を 3 次元的に制御できます。これは、以前は不可能でした。」
細胞に化学地図を与えて道を見つけるのを助ける 革新的な体積印刷モードにより、成長因子や生理活性タンパク質を任意の 3D 形状に「コーティング」できます。たとえば、血管の方向と形成を導くシグナル分子を、3D プリントされたオブジェクト内で必要な場所とタイミングでのみ新しい血管を引き付けるトラックを作成するような方法で配置することができます。
これらの信号は適切な細胞を引き寄せたり、幹細胞が再生能力を発揮するのを助けたりします。「この研究は、3次元での生化学的編集を可能にするスマート材料の開発と特性評価に向けた真の第一歩です」とファランド氏は語った。「高速体積バイオプリンティング技術と組み合わせることで、このアプローチは、細胞の行動と発達を制御できるバイオファブリケーションスキャフォールドの作成に非常に有望です。これにより、3D バイオプリンティングで、本来の組織や臓器の複雑な生化学的環境を厳密に模倣できるようになります。」
バッテリー印刷用粒状ゲル 組織をうまく製造するには、印刷された細胞が完成品の中で生き残り、増殖できるように注意深く管理する必要があります。機能的な組織を形成するには、細胞が成長し、動き、互いにコミュニケーションできる必要があります。
研究者たちはこの問題に対処するためにさまざまな印刷戦略を試みてきましたが、それぞれに長所と短所があります。 3D 押し出し印刷では、複数の種類の細胞を大量に堆積させることができますが、プロセスには長い時間がかかり、細胞に機械的ストレスを与え、重力に依存します。これらはすべて、細胞の生存と機能に役立ちません。速度と重力の問題は、高速体積バイオプリンティングで解決できるかもしれませんが、ここでの課題は、細胞が樹脂内でランダムに分散され、数も少ないことです。また、最終的なプリントは固体樹脂で構成されているため、細胞が適切に移動したり通信したりすることができません。
バイオプリンティング: LevatoLab、UMC Utrecht、Creative Commons CC-BY 4.0 ライセンス (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) の条件に基づいて複製。 139 著作権 2019、Wiley-VCH Publishers (https://doi.org/10.1101/2023.05.17.541111)
粒状のミクロの世界を作る この問題に対処するには、バイオプリンティングに使用される材料が、細胞が自己組織化して通信できる環境を提供する必要があります。これは通常、ソフトハイドロゲルで実現可能ですが、特に従来の層ごとの製造技術を使用する場合、これらの材料の高い印刷解像度と形状の忠実度を確保することが依然として重要なボトルネックとなっています。
論文の筆頭著者である Davide Ribezzi 氏は、これらの課題を克服するために微粒子樹脂の使用を検討しました。関連する研究結果は、bioRxiv 誌の「」というタイトルの論文で発表され、Davide Ribezzi、Marième Gueye、Sammy Florczak らが協力しました。

関連論文リンク: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.17.541111v1
「粒子ゲルは、本質的には密集したゲルの微粒子でできています」とリベッツィ氏は言います。「各微粒子はバルクハイドロゲルに匹敵する特性を持っていますが、マイクロゲル粒子のパッキングは、豊富な機能特性を追加するように設計および調整できます。したがって、粒子状バイオマテリアルを利用することは、バルク細胞カプセル化と印刷中の材料処理性に関連する欠点に対処する有望な戦略です。」
バイオプリンティング（3）および（4）：LevatoLab、UMCユトレヒト、クリエイティブ・コモンズCC-BY 4.0ライセンス（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）の条件に基づいて複製。 139 著作権 2019、発行元 Wiley-VCH (https://doi.org/10.1002/adma.202300756)
さまざまな印刷戦略を組み合わせる 粒状樹脂のおかげで、研究者たちは押し出しと体積印刷を組み合わせることができました。押し出し印刷を使用すると、特定の細胞やその他の化学物質を樹脂内に特別に沈着させることができます。このアプローチにより、体積印刷速度と押し出し印刷精度のバランスが実現されます。ゲルは指の周りのカスタードのように印刷ノズルの周りを移動するため、構造の強度を気にすることなく、細胞を素早く複数の層に配置できます。ボリューム印刷では、押し出されたユニットの周囲に形状を作成し、調整することでプロセスを完了できます。
しかし、このプロセスには課題がないわけではありません。「生物材料を扱うには、常に細心の注意と慎重な実験計画が必要です」とリベッツィ氏は主張する。「しかし、私たちの研究では、マイクロゲルの熱特性を活用しました。これにより、機械的および光学的特性の正確な調整が可能になります。これは、埋め込まれた細胞が感知するための調整可能な刺激につながります。ただし、この高精度の調整には、印刷プロセス中に高度な注意と精度が必要です。」
生物学的活性の増加 細胞実験により、粒状樹脂は印刷後に固体ゲルよりもはるかに優れた生物学的活性を示すことが確認されました。樹脂に印刷されてから 8 日以内に、幹細胞はさらに広がることができ、内皮細胞はより多くの接続を形成し、ニューロンのような細胞は互いにより多くの接続を持つようになりました。
リベッツィ氏はさらに次のようにコメントしている。「今後の研究では、異なる材料から得られたマイクロゲルの混合や、さらには局所的なパターン形成も想定しています。これにより、薬物の生物活性キャリアなど、独自の特性を持つ複合構造を作成できるようになります。これらのツールは組織の機能を改善し、組織工学、再生医療、人工生体材料などの新興分野でより多くの機会を切り開くでしょう。」
バイオプリンティング（3）および（4）：LevatoLab、UMCUtrecht、クリエイティブ・コモンズCC-BY 4.0ライセンス（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）の条件に基づいて複製。 139 Copyright 2019、出版社 Wiley-VCH（論文リンク: https://doi.org/10.1002/adma.202300756）
機能的血管のバイオプリンティング 体積バイオプリンティングは、印刷プロセス中に細胞を生かし続ける迅速な技術です。しかし、このタイプの印刷は細胞に優しいゲルで行われるため、結果として得られる印刷物は構造的にあまり健全ではありません。これは、高圧と曲げに耐える必要がある印刷血管にとっては問題です。このため、研究者たちは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の統合の実験を始めています。
溶融電着印刷は、溶融した（生分解性の）プラスチックのフィラメントを誘導することによって機能する、非常に精密なタイプの 3D 印刷です。これにより、機械的に強く、力に耐えられる複雑なブラケットの製造が可能になります。ここでの欠点は、高温になるため、バッテリーを直接印刷できないことです。そのため、ここで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化させました。
この研究は、「溶融電気書き込み足場を介した体積印刷により、調整可能な構造と機構を備えたマルチマテリアル生体構造物が製造される」と題する論文として、Advanced Materials 誌に掲載されました。この論文は、Gabriel Größbacher、Michael Bartolf-Kopp、Csaba Gergelyらによって執筆されました。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300756
電子直接書き込みと大量印刷技術を統合 このプロセスは、溶融電着法を使用して管状のサポートを作成することから始まります。次に、感光性ゲルの入ったバイアルに浸し、体積測定バイオプリンターに配置します。原理的には、プリンターのレーザーは、スキャフォールド内、スキャフォールド上、および/またはスキャフォールドの周囲にあるゲルを選択的に硬化させることができます。
「これを実現するには、サポートをバイアルの正確な中心に配置する必要がありました。中心からずれると、体積印刷がずれてしまいます」と、論文の第一著者であるガブリエル・グロスバッハー氏は言います。「バイアルに取り付けられたマンドレルにサポートを印刷することで、完璧に中心に配置することができました。」
この研究では、Größbacher氏とその同僚はさまざまな厚さのステントをテストしました。最後に、バイオプリントされたゲルのさまざまな配置をテストしました。これらのゲルは、スキャフォールドの内側、スキャフォールド自体の内側、または外側に配置できます。研究チームは、異なるラベルを貼った2つの幹細胞を使用することで、血管腔を覆うために中央に上皮細胞を植え付けた2層の幹細胞を持つ原理実証血管を印刷することができた。
試験管から機能的な容器へ この設計により、プリントの側面に穴を開けることも可能になり、血管の透過性を制御して血液がその機能を果たせるようになる。最後に、研究者たちは、分岐した血管や、一方向の流れを維持する静脈弁を備えた血管など、より複雑な構造を作り出した。
「これは原理実証研究です」とグロスバッハー氏は言う。「今必要なのは、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。つまり、上皮細胞の周囲に筋細胞と繊維組織を追加するということです。私たちの現在の目標は、機能的な血管を印刷することです。」
これらのイノベーションはバイオプリンティングを進歩させるための興味深い選択肢を提供しますが、それらを組み合わせて拡張できれば最も効果的に機能します。「粒状ゲルを使用して生体活性分子を印刷できるということは、細胞が分子情報をより有効に活用し、近隣の細胞とともに組織に成長・発達できることを意味します」と研究チームのリーダー、リカルド・レヴァート氏は述べた。

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