生物に着想を得た付加製造における物理学的問題 - 目次と序文

出典: バイオデザイン・製造 (BDM)

近年、材料科学と製造技術の革新により、3Dプリンティングは広く注目を集めています[1]。生体材料と生物学の革新により、3Dプリンティング技術は、体外での複雑な組織/臓器の構築のためのバイオ添加剤製造の分野に応用できるようになりました[2]。現在のバイオ添加剤製造技術は、インクジェットベースのバイオプリンティング、フィラメント押し出しベースのバイオプリンティング、デジタル光処理（DLP）ベースのバイオプリンティング、電界支援バイオプリンティング、および熱溶解積層法（FDM）に大別できます（図1）[3,4]。付加製造技術は絶えず進歩しているものの[5,6,7]、現在の信頼性と製品の機能性はまだ完璧ではなく、バイオ付加製造はその応用において依然として大きな課題に直面しています[8]。

図1 さまざまな古典的なバイオ添加剤製造技術バイオメカニクス、流体力学、レオロジー、相変化理論などの物理的知識が印刷プロセスにおいて重要な役割を果たし、実験設計や印刷結果の予測に役立つことはよく知られています[9]。しかし、バイオAMプロセスにおける多くの基本的な物理的問題には、まだ深い調査と理解が欠けている[10,11]。例えば、インクジェット印刷時の液滴と基板の衝突[12]、DLP印刷時の未硬化光架橋バイオインクの成形構造の安定性への影響[13]、電場アシスト印刷時の電場力と粘性力のバランス[14]などです。これらの現象は広く報告され研究されてきましたが、その背後にある物理的なメカニズムはまだ明確に説明されていません。印刷された構造の形状忠実度に加えて、細胞生存率は3Dバイオプリンティングのもう一つの重要な参照指標である[15]。これは、細胞の活動が印刷中および印刷後に細胞が直面する環境を反映するためである[16,17]。ノズルを使用するバイオプリンティングプロセスではせん断応力が細胞損傷の主な原因であり、光硬化に基づくバイオプリンティングプロセスではほとんどの細胞損傷が紫外線によって引き起こされることが報告されているが[18]、さまざまなバイオ添加剤製造プロセスに対する普遍的な細胞損傷基準はまだまとめられていない。一部の研究者は物理/機械学習モデルを使用して印刷プロセスによって引き起こされる細胞損傷を分析/予測していますが[19,20]、生物学的3D印刷プロセス全体における細胞損傷を記述する物理モデルはまだ不足しています。

要約すると、さまざまなバイオ AM 技術に関係する物理学を深く理解することで、研究者は製造プロセス全体をより深く理解し、印刷プラットフォームと関連するプロセスパラメータを最適化できるようになります。したがって、積層造形プロセスに関わる物理的な問題を調査することは、積層造形技術の開発に有益であり、既存の印刷構造と臨床応用との間のギャップを埋めることになる[21]。

バイオベースの付加製造プロセスにおける物理学の重要性をさらに詳しく説明するために、このジャーナルは「バイオまたはバイオニック付加製造における物理的問題」と題する特別号を編成しました。この特集号では、さまざまなバイオAM技術の形成メカニズムと設計原理に焦点を当てた6つの研究論文を集めました。 Yangら[22]は、レーザー粉末床溶融結合法（LPBF）印刷中にレーザー出力と走査速度が印刷構造の表面品質、密度、表面テクスチャに及ぼす影響を研究した。レーザー出力とスキャン速度を最適化することで、マトリックス内のエネルギーの過剰な蓄積によって引き起こされる熱膨張と収縮を回避できます。この研究は、生分解性構造物の加工における LPBF 技術の使用に関する科学的根拠を提供します。 Valentinら[23]は、直接書き込み印刷と後熱処理によって微細な孔を持つ多孔質構造を形成する革新的なチタン-6-アルミニウム-4-バナジウム処理方法を提案した。 Qiuら[24]は、アルギン酸にペプチドグラフトとフィブリンを導入することで、高解像度の電気流体力学的（EHD）バイオ3Dプリンティングに使用できるアルギン酸ベースのバイオインクを開発した。この印刷プロセスのフィラメント精度は 30 μm に達し、細胞の成長を方向性を持って誘導できるため、細胞の生存と増殖に理想的な環境が提供されます。 Liuら[25]は、キトサン/ゼラチンと卵白をベースにしたマイクロフィラメント押し出し印刷に使用できる複合ハイドロゲルを合成し、トリポリリン酸（TPP）がスキャフォールドの物理的および生物学的特性を最大化できることを発見し、組織工学の分野でこのプロセスの大きな可能性を示しました。 Huoら[26]は、バイポーラ温度制御システムを使用して単一温度制御FDMの印刷精度を向上させ、実験的および理論的分析を通じてデュアル温度制御システムがポリマーインクのレオロジー特性に及ぼす影響を調査し、ホットメルトポリマーのFDM印刷精度を向上させるための新しいアイデアを提供しました。切り紙アートに触発されたYueら[27]は、設計幾何学パラメータを最適化することで異なる機械的特性を持つ2次元シートを印刷し、2次元シートを組み合わせて優れた形状記憶能力とプログラム可能性を備えた3次元構造を形成し、スマートロードに大きな可能性を示しました。

記事アルバムディレクトリ
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この記事を引用する
Yin J、Qian J、Huang Y、2023。バイオまたはバイオインスパイアされた付加製造における物理学的問題。Bio-des Manuf、6(2):99-102。https://doi.org/10.1007/s42242-023-00234-6

アルバムカタログリンク
https://link.springer.com/journal/42242/volumes-and-issues/6-2

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