先端材料: バイオメディカル研究を促進する自己組織化ナノファイバーペプチドハイドロゲルの 3D プリント

はじめに: 3D プリントは、バイオメディカル研究で使用される主要な製造技術の 1 つになりました。近年、高い機械的特性を持つ生物組織構造をより適切に再現するために、ハイドロゲルの 3D プリントに関する研究を実施する研究者が増えています。ハイドロゲル 3D 印刷技術は、その材料が柔らかく、3 次元で高精度のパターンを形成するのが難しいため、多くの問題に直面しています。ハイドロゲルを形成する少数のバイオ由来ポリマーは、3D 印刷アプリケーションで頻繁に使用されます。したがって、3D 印刷インクとして使用できる、望ましい生物学的特性を備えた新しいハイドロゲルが求められています。

2023年2月、アンタークティックベアは、ライス大学バイオエンジニアリング学部の研究者がマルチドメインペプチド（MDP）の印刷可能性を確立したことを知りました。彼らの研究は、「自己組織化ナノファイバーマルチドメインペプチドハイドロゲルの3D印刷」というタイトルでADVANCED MATERIALS誌に掲載され、ハイドロゲル3D印刷の開発を促進しました。

背景ハイドロゲルの 3D プリントにより、研究者は柔らかい組織のような材料を使用して生物学的構造を複製できるようになります。数多くの 3D 印刷方法の中でも、押し出し原理に基づく 3D 印刷技術は、その動作原理がシンプルで使いやすいため、広く使用されています。押し出し 3D プリントで使用されるインクは、主にゼラチン、アルギン酸塩、ヒアルロン酸、コラーゲン、脱細胞化細胞外マトリックスなどの材料で構成されています。研究者らは、生物学的特性を維持しながら、天然由来のハイドロゲル材料を化学的に改変し、印刷しやすくしました。しかし、天然由来の材料は多様であり、適切な機械的特性と意図した生物学的活性を持つためには化学的な修飾が必要になることがよくあります。

SAP は、超分子力によってナノ構造に組み立てられるペプチドです。これらのナノ構造は相互に作用して、マクロ的なハイドロゲルを生成します。 SAP は合成が容易で、精製可能であり、設計の柔軟性も高いです。合成自体はモジュール化されており、SAP の特性は、その主要な配列を変更するか、生理活性ペプチド配列を追加するだけで変更できます。 SAP はアミノ酸の構成要素のみで構成されているため、その化学的性質や分解生成物は生物に対して無害であり、これは他のポリマーで作られたハイドロゲルには見られない特徴です。したがって、 SAP は合成ハイドロゲル材料の柔軟性を提供しながら、天然由来材料の生体適合性も維持します。

研究内容 この研究では、特定の生理学的 pH とイオン強度下でナノファイバーハイドロゲルを形成するマルチドメインペプチド (MDP) の 3D プリントを紹介します。 MDP は、疎水性アミノ酸と親水性アミノ酸が交互に並び、その両側に荷電残基が配置された一般的な構造を持っています。荷電アミノ酸を対イオンで遮蔽すると、「疎水性サンドイッチ」が生成され、βシートのフィブリル化が起こり、適切な濃度でナノファイバーハイドロゲルに急速にゲル化します。 MDP は、体内に移植されると血管新生、神経支配、および高レベルの細胞浸潤を促進することが示されており、神経再生、癌治療、およびワクチン送達に使用されてきました。さまざまな電荷と化学官能基を持つ MDP は、生体内でさまざまな免疫反応を引き起こすことがわかっているため、特定の用途に使用される MDP は、目的の用途に応じて異なる場合があります。 MDP の機能を拡張するために、研究者らは、アニオン性およびカチオン性 MDP の 3D プリント評価、最適化、および in vitro 特性評価も発表しました。

△印刷材料としてMDPを選択し、3D印刷の最適化のためにさまざまなMDPインクを使用し、印刷難易度を高めた構造を印刷します（マルチマテリアル印刷を含む）。最後に、反対に帯電した MDP インクを使用して 3D 構造を作成し、さまざまな in vitro 特性を観察しました。

結論

△MDP 3Dプリントの最適化とプリント構造

この研究で、研究者らは、MDP を 3D プリント可能なハイドロゲルの新しいクラスとして確立しました。超分子アセンブリを特性評価した結果、MDP は押し出しベースの 3D 印刷に使用するために必要なレオロジー特性を備えていることが示されました。次に、印刷の最適化を実行し、複雑なオーバーハング構造とマルチマテリアル印刷を作成しました。この研究は、SAP が関与する非常に数少ない 3D 印刷論文の 1 つであり、これまでに達成された印刷の複雑さのレベルを超えています。さらに、カチオン性およびアニオン性 MDP 構造の in vitro 特性評価により、電荷に依存した細胞形態の違いと、電荷に依存しない高い細胞生存率が明らかになりました。印刷できる MDP の数を増やし、印刷解像度を向上させ、細胞の挙動を調整するための MDP 電荷の戦略的使用を調査するためのさらなる研究を行う必要があります。全体的に、MDP は、独自のペプチドベースで、組み立てに完全に超分子メカニズムに依存する、有望な新しいクラスの 3D 印刷インクです。

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