上海陶磁器研究所は無機バイオインクマルチセル3Dプリンティングで一連の進歩を遂げた

出典：中国科学院上海陶磁器研究所

細胞 3D プリンティングは、複雑な組織の再生や臓器の再建において幅広い応用が期待されています。細胞の運搬体として、バイオインク材料の設計は非常に重要です。しかし、従来のバイオインクは通常、純粋なハイドロゲル材料と単一タイプの組織細胞を使用するため、複雑な組織や臓器の再生には再生活性や印刷性能が不十分であるなどの問題があり、生物学的 3D プリント構造の再生機能が制限されます。

近年、中国科学院上海陶磁器研究所の呉成鉄博士が率いる研究チームは、無機生体活性材料に基づくバイオインクを設計することにより、複雑な組織再生のための多細胞生物学的3Dプリント構造の使用に関する一連の研究を実施しました。研究チームは、さまざまな機能を持つさまざまな無機バイオインクを開発し、さまざまな細胞3Dプリント技術を使用して、骨軟骨、血管化皮膚、神経化骨の再生のためのバイオニック多細胞スキャフォールドを構築し、一連の進歩を遂げました。

骨軟骨再生に関しては、研究チームは、骨組織と軟骨組織に対するリチウム、マグネシウム、シリコンの双方向の生体活性に基づいた、Li-Mg-Si（LMS）バイオセラミックスをベースとしたバイオインクを開発しました。これを基に、多細胞生物学的 3D 印刷技術を使用して軟骨細胞と骨髄間葉系幹細胞を層状に印刷し、バイオニック骨軟骨組織の二重層多細胞足場を構築しました。 LMSバイオセラミックスを含むバイオインクは、軟骨下骨の無機成分を模倣できるだけでなく、生体活性イオンを放出することでさまざまな細胞を特定の方向に分化させ、同時に軟骨と軟骨下骨の統合的な再生を促進します。関連する研究結果はMaterials Today誌に掲載されました。論文の第一著者は上海陶磁器研究所の博士課程学生である秦陳氏であり、責任著者は研究員の呉成鉄氏である。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.016

LMSバイオセラミックスをベースにしたバイオインクを開発し、多細胞3Dプリント技術を使用して生体模倣骨軟骨二重層多細胞スキャフォールドを作製し、骨軟骨組織の再生を促進しました。

血管新生した皮膚の再生に関しては、研究チームは、ストロンチウムとシリコンが血管再生とコラーゲン沈着に及ぼす有益な効果に基づいて、ストロンチウムケイ酸塩（SS）マイクロカラムをベースにしたバイオインクを開発しました。これを基に、線維芽細胞と血管内皮細胞の階層的分布を含む多細胞足場を印刷し、血管ネットワークを含む皮膚の生理学的構造をシミュレートしました。 SS バイオインクの優れた生体活性に基づいて、生体模倣多細胞スキャフォールドは細胞増殖と血管新生を大幅に促進することができます。さらに研究チームは、皮下移植、急性創傷、糖尿病性難治性創傷の3つの動物モデルを通じて、このスキャフォールドが皮膚代替物として使用でき、皮膚組織の再生を効果的に促進できることを確認した。関連する研究結果は、Advanced Healthcare Materials 誌に掲載されました。論文の第一著者は上海陶磁器研究所の博士課程学生である馬静歌氏であり、責任著者は研究員の呉成鉄氏である。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/adhm.202100523

ストロンチウムケイ酸塩マイクロピラーを含むバイオインクは、マルチセル3Dプリント技術を使用して、急性/慢性創傷の皮膚再生を促進する生体模倣皮膚代替物を調製するために使用されます。

最近、研究チームは無機バイオインク多細胞3Dプリント技術に基づく神経化骨再生において重要な進歩を遂げました。骨は、高度な神経支配を持つ複雑な器官組織です。骨の神経線維は、さまざまな神経伝達物質（CGRP、SP、VIPなど）や神経栄養因子（NGF、BDNF、GDNFなど）を分泌することで、骨の成長、発達、再生、修復に積極的に関与しています。これまでの研究では、神経支配を失った骨組織は治癒特性が遅れていることが示されており、骨再生における骨神経線維の重要な調節的役割がさらに確認されています。そのため、骨欠損部の神経支配を促進することで、骨修復のプロセスがさらに加速され、骨再生の質が向上することが期待されます。骨組織と神経線維は生理学的特性が大きく異なるため、骨と骨神経線維の同時再生を実現することは依然として大きな課題です。研究チームは、無機バイオインク多細胞生物学的3Dプリント技術を使用して、骨髄間葉系幹細胞と神経細胞（シュワン細胞）を含む多細胞足場を構築することを提案しました。この足場は、骨再生を促進すると同時に宿主神経の神経支配を誘導する機能があり、それによって効率的な神経化骨再生を実現します。

研究チームはまず、水熱合成法を用いて形状の整った無機ケイ酸カルシウムナノワイヤ（CS）を合成し、それをメタクリル化ゼラチンハイドロゲル（GelMA）に均一に混ぜて無機有機複合バイオインクを得た。次に、これを骨髄間葉系幹細胞とシュワン細胞と組み合わせ、マルチチャネル生物学的3D印刷装置を使用して、上下層構造を持つバイオニック多細胞神経骨複合構造体を作製した。研究では、CS は GelMA の印刷性を高め、印刷された足場構造をより規則的にするだけでなく、バイオインクの機械的特性も改善し、骨髄間葉系幹細胞の骨形成分化に有益であることがわかりました。さらに、CS はカルシウムイオンとケイ素イオンをゆっくりと放出することで、細胞の行動を制御するのに適したイオン性微小環境を構築することができます。 CS は、シュワン細胞の成熟と髄鞘形成に関連する遺伝子とタンパク質の発現を促進するだけでなく、骨髄間葉系幹細胞の骨形成に関連する遺伝子とタンパク質の発現とカルシウム結節の形成も促進します。さらに、生体内でのラットの頭蓋骨損傷動物実験の結果は、無機バイオインクに基づくこのバイオニック多細胞足場が、新しい骨の形成と骨の統合を効果的に促進し、宿主神経線維の成長を誘発し、それによって効率的な神経化骨再生を達成できることを示しました。この研究では、機能性無機バイオインクと多細胞生物学的 3D 印刷技術を組み合わせ、複雑な神経化組織の再生を実現するための潜在的な戦略を提供します。研究成果は「神経骨構造の3Dバイオプリンティングのためのカルシウムケイ酸ナノワイヤ含有多細胞バイオインク」というタイトルでNano Today（Nano Today 46（2022）101584）に掲載され、特許も申請されました（特許公告番号：CN114306731B）。論文の第一著者は、上海陶磁器研究所の2019年博士課程学生である張宏建氏であり、責任著者は研究員の呉成鉄氏である。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101584

関連研究は、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、中国科学院イノベーション学際チーム、上海市科学技術委員会などの基金によって支援されました。

シュワン細胞と骨髄間葉系幹細胞と組み合わせた生体活性ケイ酸カルシウムナノワイヤを含むバイオインクで、多細胞3Dバイオプリンティングによる神経芽細胞骨再生のための神経骨複合構造を作製する。

生体内でのラットの頭蓋骨実験の結果、生物学的 3D プリント神経骨構造は、新しい骨の形成と骨の統合を効果的に促進し、宿主神経線維の成長を誘発し、それによって神経化骨再生を達成できることが示されました。

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