清華大学の「AHM」がレビューを再掲載：SFから現実へ、3Dプリンティングが医療の未来を変える

出典: EngineeringForLife

細胞培養技術が従来の 2D モデルから複雑な 3D モデルへと進化するにつれ、生体内の細胞環境をより正確に再現するという追求が技術開発を推進し続けています。 2D 培養は生物学研究や医薬品開発において重要な役割を果たしますが、人体の複雑な細胞相互作用や生理学的反応を再現できないことがよくあります。そのため、細胞外マトリックス (ECM) と自然組織の複雑な細胞配置をより効果的にシミュレートする方法として、3D 細胞培養技術が登場しました。しかし、従来の微小組織工学では、臓器のような構造を完全に複製するために必要な精度をまだ達成していません。

変革的なアプローチである 3D バイオプリンティングは、微小組織の空間配置と機械的特性に対する比類のない制御を提供することで、この問題に対処します。この技術により、バイオインクの詳細な層化を通じて組織のような 3D 構造を持つ微小組織の製造が可能になり、オルガノイドの直接構築と、組織の成熟に重要な機械的力の微調整が可能になります。さらに、3D プリントされたデバイスは、微小組織に必要なガイダンスと微小環境を提供し、複雑な組織相互作用を促進します。 3D バイオプリンティングは、微小組織工学における幅広い応用の見通しを持っていますが、バイオインクの開発、高解像度の血管新生の実現、印刷された構造の生体活性と長期安定性など、いくつかの課題にまだ直面しています。

このような現状に対応して、清華大学の王雲芳氏と劉娟氏のチーム、および北京グラフィックコミュニケーション学院の韓陸氏のチームは、主に3Dバイオプリンティング技術の精密マイクロ組織工学への応用と、それが再生医療、疾患モデル化、薬物スクリーニングに与える影響について研究しました。関連研究は、「精密マイクロ組織工学のための 3D バイオプリンティング: 進歩、応用、展望」というタイトルで Advanced Healthcare Materials に掲載されました。

以下は対処すべき問題の概要である。

（１）バイオインクの開発：細胞の生存能力を十分にサポートし、印刷に適したレオロジー特性を有するバイオインクを開発する必要がある。

（２）高解像度の血管新生：バイオプリント組織における高解像度の血管新生の実現は組織の生存と機能にとって極めて重要ですが、この点において既存の技術はまだ不十分です。

（３）印刷構造物の生体活性と長期安定性：3Dプリントされた微小組織が、in vitroおよびin vivo環境において十分な生体活性と長期安定性を有することを保証する。

この記事では、精密マイクロ組織工学における 3D バイオプリンティングの応用と展望を理解するための詳細な分析を提供し、主要な技術と応用事例を検討することで、再生医療や薬物スクリーニングなどの分野における 3D バイオプリンティング技術の応用可能性を示します。

1. 3Dバイオプリンティング技術の概要
3D バイオプリンティングは、生体材料と生きた細胞を層ごとに堆積させることで微小組織工学をサポートする高度な製造技術です。

この技術は、従来の 2D 印刷から付加プロセスによる製造へと進化し、最近では「ボトムアップ」エンジニアリングアプローチとして登場しました。 3D バイオプリンティング技術は、微小組織の空間配置と機械的特性を正確に制御し、組織のような構造を持つ 3D 微小組織を構築することができます。これにより、オルガノイドを直接構築し、組織の成熟に重要な機械的力を微調整することが可能になり、微小組織に必要なガイダンスと微小環境が提供され、複雑な組織相互作用が促進されます。

3D バイオプリンティングは、微小組織工学における幅広い応用の見通しを持っていますが、バイオインクの開発、高解像度の血管新生の実現、印刷された構造の生体活性と長期安定性など、いくつかの課題にまだ直面しています。

図 1 本レビューの主な焦点2. マイクロ組織工学の発展<br /> マイクロ組織工学の歴史は、1993 年に Langer と Vacanti が初めて組織工学の概念を実証したときに始まりました。その後、この概念は、精密な生物学的応用のための小型の機能組織モデルの作成に重点を置いたマイクロ組織工学の開発につながりました。

従来の組織工学アプローチでは、通常、「トップダウン」戦略が採用されており、組織工学移植片の構造フレームワークは、まず 3D プリントやその他の技術を使用して作成されます。その後、高密度のシード細胞と生体分子が事前に形成された足場に導入され、損傷した組織を修復するための組織工学移植片が生成されます。 1995 年、細胞培養用のポリエチレングリコール (PEG) ハイドロゲルは、微小組織工学のための多目的プラットフォームを提供し、自然組織構造を模倣した制御された 3D 環境の作成を可能にし、より正確な細胞挙動研究を可能にしました。

1998 年に初めてヒト胚性幹細胞が確立され、複雑な機能組織モデルを作成するための汎用的な細胞リソースを提供することで微小組織工学に革命をもたらし、個別化医療と組織の発達および疾患の理解を促進しました。

図2 マイクロ組織工学の発展の歴史
3. バイオインクの選択と開発<br /> バイオインクの選択と開発は、3D バイオプリンティングにおける重要なステップです。

理想的なバイオインクは、適切な機械的完全性、生体適合性、調整可能な生分解性、および大規模生産をサポートする能力を備えている必要があります。現在使用されている主なバイオインクには、細胞外マトリックス (ECM) ベースのハイドロゲルと脱細胞化 ECM (dECM) ベースのハイドロゲルがあります。これらの材料は、細胞の行動を制御し、組織の発達を促進し、疾患をモデル化する上で大きな可能性を示しています。さらに、ナノマテリアルや生体活性分子もバイオインクに組み込まれ、その機能性や印刷特性が向上しています。

大きな進歩があったにもかかわらず、バイオインクの標準化と最適化は依然としてこの分野の重要な課題であり、バイオインクの印刷性能と生体適合性を向上させるにはさらなる研究が必要です。

図3 バイオインク開発の基本ステップ
4. 3Dバイオプリンティング戦略と主要技術
3D バイオプリンティング戦略と主要技術には、さまざまな印刷方法とゲル化技術が含まれます。

一般的な 3D バイオプリンティング戦略には、レーザー支援バイオプリンティング、ステレオリソグラフィー、インクジェットバイオプリンティング、マイクロ押し出し印刷などがあります。それぞれの戦略には、特定の応用シナリオと利点があります。たとえば、レーザー支援バイオプリンティングでは高精度の材料堆積が可能になり、マイクロ押し出し印刷は大規模生産に適しています。光重合、熱ゲル化、超音波ゲル化、物理的ゲル化などのゲル化法は、安定した 3D 構造の形成に不可欠です。これらの技術の最適化は、印刷解像度、細胞生存率、組織機能の向上に非常に重要です。

さらに、バイオインクの粘度、印刷速度、エネルギー入力などの印刷パラメータも印刷結果に大きな影響を与えるため、高品質の 3D バイオプリンティングを実現するには正確に制御する必要があります。

図4 3Dバイオプリンティング戦略
5. 精密マイクロ組織工学の応用<br /> 精密マイクロ組織工学は、基礎細胞研究、疾患モデリング、ハイスループット薬物スクリーニング、再生医療など、生物医学分野で幅広い用途があります。

3D バイオプリンティング技術は、生体模倣性の高い微小組織を構築することができ、細胞の挙動、組織の発達、疾患のメカニズムを研究するための強力なツールを提供します。疾患モデリングの面では、3D バイオプリンティングは複雑な人体組織の微小環境を再現し、がんや肝臓病などのさまざまな疾患状態をシミュレートするために使用することができ、それによって個別化医療や医薬品開発をサポートします。さらに、3Dバイオプリンティング技術は、ハイスループットの薬物スクリーニングを通じて、新薬の発見と評価のプロセスを加速し、薬物の研究開発の効率と精度を向上させることができます。再生医療の分野では、3Dバイオプリンティング技術を用いて複雑な組織構造や臓器を製造することが可能となり、損傷した組織の修復・再生が期待されています。

つまり、精密マイクロ組織工学は幅広い応用の見通しがあり、医療保健分野に革命的な変化をもたらすことが期待されています。

図5 精密マイクロ組織工学の応用
6. 今後の展望と課題<br /> 3D バイオプリンティング技術は微小組織工学において大きな可能性を示していますが、この分野はまだいくつかの課題に直面しています。

まず、バイオインクの開発は重要な課題であり、より生体適合性と印刷性能に優れたバイオインクの開発が必要です。第二に、高解像度の血管新生を実現することは、印刷された組織の生存と機能性を向上させるために重要ですが、現在の技術ではこの点においてまだ不十分です。さらに、印刷された構造の長期安定性と生体活性も、対処する必要がある問題です。これらの課題に対処するには、材料科学、生物学、工学を含む学際的な連携が必要です。

今後、技術の継続的な進歩と革新により、3Dバイオプリンティング技術は個別化医療、再生医療、医薬品開発においてより大きな役割を果たし、医療・健康分野に革命的な変化をもたらすことが期待されています。

出典: https://doi.org/10.1002/adhm.202403781

清華大学の「AHM」がレビューを再掲載：SFから現実へ、3Dプリンティングが医療の未来を変える

HP、Formnextでポリマー、金属、ソフトウェアのイノベーションを展示

7月7日北京3D Scan2P 3Dスキャン技術セミナー

SWISSTO12、ノースロップ・グラマンに新しい3Dプリント衛星アンテナチェーンを納入

吉林油田の3Dプリント技術が革新的な製品を目に見える形にする

アルコアのスピンオフ企業アルコニックがエアバスに3Dプリント金属航空機部品を供給

2021年に株式を公開する3Dプリント企業の概要

CCTV1「Let's Talk」印刷テーマ、南極のクマが3D印刷のアイデアにつながる

ロケットラボ、金属3Dプリントエンジン搭載ロケットを打ち上げる

研究者は3Dプリントを使って太陽光と空気を液体燃料に変換する

3Dプリントはメーカー教育を助け、Daye 3D XiaofangはSTEAM+D学習モデルを提案

推薦する

海外メディア 3D プリント業界レビュー: 2019 年 6 月

レーザーテクスチャリングが316Lステンレス鋼の摩擦特性に与える影響

商務省は3Dプリント産業の競争力に関するシンポジウムを開催した。

高品質の積層造形サプライヤーの第一陣が正式に発表されました

3Dプリント、VR、AR…過去の王朝の中国絵画の傑作1,600点が生き生きと蘇る

3Dプリントの助けを借りて頬骨が砕けた顔を完璧に修復

3D ProMetalは3DXpert積層造形ソフトウェアを使用して次世代の医療部品を最適化します

BFF 3Dバイオプリンターが国際宇宙ステーションに常駐し、生物医学および製薬研究の新たな機会を模索

高さ7メートルの3Dプリント像が古典オペラ「エレクトラ」の完璧な上演に貢献

ドイツのVoxeljetは第3四半期の収益が480万ユーロを超え、着実な成長を維持している。

ボリテクノロジーのCEO、王文斌氏との対談：3Dプリントは端末部品の変革に新たな機会をもたらす

日本のガス会社TNSCが複数の金属機械を備えた新しい3Dプリント研究所を開設

照明研究センターとイートンが3Dプリント固体照明システムで協力

世界トップの学術誌「ネイチャー」と「サイエンス」に3Dプリント技術が掲載

天津初の腫瘍治療用3Dプリントパーソナライズテンプレート粒子移植