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

世界経済フォーラムが開幕し、3Dプリントが重要な話題となる

3Dプリントメーカーの創翔3Dが武漢に30万元を寄付し、疫病予防と抑制に協力

Creator 3Dは、3Dプリント慈善事業の夢を実現する初のブランドアンバサダー、カイル・リーサーを正式に発表しました。

SLS 3Dプリンティングは、さまざまな業界で小中量生産の新しい時代を切り開きます。

MITの研究者らは、同様の金属付加プロセスよりも10倍高速な液体金属3Dプリント技術を開発しました。

機能性セラミックスの3Dスクリーン印刷が医療用途を進歩させる方法

彼は3Dプリントを使ったジュエリーを販売しており、彼の会社の価値は6000万元である。

1メートルを超える成形サイズを備えたPiocreat3D G12工業用ペレットマシン3Dプリントは、彫刻工芸の新たな力となっています。

メルティオ、南北アメリカとヨーロッパで新たなパートナーシップを結び、グローバル展開を拡大

杭州スキャンは、高効率、高精細、グローバル写真測量を組み合わせたデュアルカラーレーザー3モード複合3Dスキャナーをリリースしました。

推薦する

マルチマテリアル3Dプリント部品の準備完了

エアテック、大型3Dプリントで航空宇宙ツール市場に参入

新しい金属 3D 印刷最適化ソフトウェア - モデルのエラーを検出し、印刷品質を向上

巨大な市場の可能性をターゲットに、3Dプリントの金製ジュエリーで先頭に立っているのは誰でしょうか?

ニコン、エンジンブレードの修理を加速する金属DEDマシン「Lasermeister LM300A」を発売

3月31日、深センでSIMM2018 3Dプリント展示エリアが製造業界に刺激を与えます。

中国と海外の専門家が3Dプリンティングについて議論：盲目的にトレンドを追いかけて市場に参入することは避けるべき

AON3Dが高温3Dプリントソリューション、Hyloスマートプリンター、Basisソフトウェアプラットフォームを発表

RAYSHAPEはStartUs Insightsの「2023年グローバルトップ20潜在的3Dプリンティングスタートアップ」の1つに選ばれました

スーパーカーに続いて、Divergent3D はスーパーバイクを 3D プリントしました!

ロンドンの防衛研究開発局は、「民間化」を向上させるために初の3Dプリント対ドローンシステムを開発

ドバイ、3Dプリント研究のための3Dプリント建物を建設

中国の科学者が航空機エンジンの3Dプリントをリード、2017年に量産開始予定

SUSTechのLiu Jiのチームは、極めて優れた機械的特性を持つ柔らかい材料の3Dプリントの分野で研究を進めてきました。

NASAによってテストされたWINDFORM P-LINEシリーズの材料