生物学的 3D プリントプロジェクトを実行するにはどうすればよいでしょうか? (ケーススタディ - ゼネラル・ストラテジー・リサーチ)

出典: EngineeringForLife

生物3Dプリンティングに関する研究において、汎用性が高く、適用範囲が広い戦略は、研究の発展にとって大きな指導的意義を持ち、研究者の実験サイクルを大幅に短縮し、科学研究者の時間と労力を大幅に節約することができます。この号では、生物学的 3D プリンティングのトピックの一般的な戦略研究から始めて、投影光硬化と押し出しという 2 つの印刷方法について深く理解できるようにします。

事例 1: 投影ベースの光硬化バイオ 3D プリンティングの一般的な戦略に関する研究 オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31002-2

本研究では、分子切断に基づく生物学的 3D 印刷法を提案しました。メタクリル化ヒアルロン酸 (HAMA) とメタクリロイルゼラチン (GelMA) を混合することで、印刷中に高い機械的特性を持つ生物学的インクが得られ、印刷された構造の精密な形成が実現しました。印刷後、構造内の HAMA は選択的に酵素加水分解されて印刷された構造を柔らかくし、構造の複雑さと忠実性を維持しながら、印刷された構造の機械的特性を人間の組織のものと一致させました。この戦略は、生体適合性は高いが機械的強度が低い同様の生物学的インクの研究に使用できます。
図1 一般的な印刷戦略の原理と広範囲の機械的特性の調整可能性1. GelMA/HAMAハイブリッドバイオインクの印刷可能性に関する研究 本研究では、分子量と濃度比が異なるGelMA/HAMA混合バイオインクの印刷テストを実施し、さまざまな材料条件下での印刷可能なウィンドウを取得しました。
図2 GelMA/HAMAバイオインクの印刷性の評価2. 印刷された構造のHAMA酵素加水分解実験 印刷可能性の研究から得られたさまざまな材料条件下での印刷ウィンドウに基づいて、さまざまな組織構造を印刷するための適切な材料比率を選択できます。次に、印刷された構造をHAMA酵素加水分解にかけ、幅広い機械的特性制御を備えた複雑な軟組織モデル構造を取得します。 GelMA、HAMA、ヒアルロニダーゼの組成を調節することで、脳、肝臓、肺、心臓などの組織と同様の機械的強度を持つ印刷構造を得ることができます。
図3 印刷構造の機械的強度とHAMA酵素加水分解度の関係ケース2：押し出しベースの3Dバイオプリンティングの一般的な戦略に関する研究 オリジナルリンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc5529

本研究では、印刷材料にゼラチンを加えて感熱性を持たせ、相補ネットワークバイオインクを作製しました。ゼラチンの可逆的な感熱性を利用して、印刷プロセスのさまざまな段階でバイオインクの機械的強度を調整することにより、作成された相補ネットワークバイオインクは、押し出し生物学的3D印刷プロセスにおける印刷性と生体適合性の互換性を向上させることができます。さらに、この戦略は他のゼラチン可溶性バイオインクにも適用できるため、この方法を適用できるバイオインクの範囲が大幅に拡大し、さまざまな生体材料システムや 3D 印刷スキームに幅広く適用できるようになります。

1. 補完ネットワークバイオインク印刷原理のテスト 本研究では、まずメタクリル化ヒアルロン酸（HAMA）を代表的なバイオインクとして印刷およびレオロジー試験に使用し、HAMAにゼラチンを加えることでHAMAの印刷性を向上させ、HAMA+補完ネットワークバイオインクを得ました。印刷プロセス全体は、低温押し出し成形、光架橋、温度インキュベーションの 3 つのステップを経ます。生物学的インク内の細胞の生体適合性を確保しながら、印刷構造の機械的強度も維持します。

図4 相補ネットワークバイオインクの3Dプリントプロセス2. 普遍性の検証 その後、この研究では、補完ネットワークバイオインクの原理を、マトリックス由来タンパク質、マトリックス由来グリコサミノグリカン、その他の天然多糖類などの他のポリマーに適用することを試みました。この目的のために、研究者らは、印刷検証に12種類の光架橋性バイオインク（HANB、GelMA、GelAGEなど）を使用し、これらの相補ネットワークバイオインクの3D印刷パラメータを最適化しました。最終的に、ゼラチン成分がバイオインクの印刷性に決定的な役割を果たし、その戦略には一定の普遍性があることが確認されました。
図5 相補ネットワークバイオインクライブラリ3. 機械的特性維持効果の検証 最後に、研究者らはソフトハイドロゲルのゼラチン成分が機械的特性に与える影響をテストしました。3 種類のソフトハイドロゲル補完ネットワークバイオインク (HANB+、GelMA+、GelAGE+) とゼラチンを含まないバイオインクで印刷した構造の機械的特性を比較したところ、ゼラチンの添加は印刷した構造の長期的な機械的特性にほとんど影響を与えないことがわかりました。
図6 3Dプリントされたソフトハイドロゲル構造結論 この記事では、2 つの事例を用いて、投影光硬化と押し出しに基づく 2 つの生物学的 3D 印刷方法の一般的な戦略に関する関連研究を紹介します。これらすべてにおいて、まず印刷プロセス中の材料の機械的特性の要件を満たすように材料を設計し、次に印刷構造をアプリケーションの要件に従って後処理して、印刷構造の適切な機械的強度を得ることが必要です。どちらの方法も、さまざまな材料システムで使用でき、汎用性が非常に高くなります。

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