コーネル大学は、人間のバイオニック皮膚を3Dプリントするための基礎となる新しいバイオ複合材料を開発しました。

この投稿は warrior bear によって 2022-7-12 21:22 に最後に編集されました。

2022年7月12日、アンタークティックベアは、コーネル大学の研究者が、人間の組織に似た構造を持つバイオニックスキンを作るために使用できる新しいタイプの生体材料を開発したことを知りました。
研究チームが開発したバイオハイブリッド複合材は、コラーゲンと「両性イオン」ハイドロゲルを混合した独自の組成を持ち、柔らかく生体適合性があり、持続的な変形に耐えられるほど柔軟です。科学者たちの研究開発プロジェクトはまだ進行中だが、バイオインクは将来、患者由来の細胞を3Dプリントした足場の基盤となり、傷を効果的に治癒できるようになるかもしれないと彼らは言う。
「最終的には、組織が完全に再生するまで元の負荷の一部に耐えられる足場など、再生医療に使用できる材料を作りたい」と、この研究の共同筆頭著者の一人であるニコラオス・ブクラス氏は述べた。「この材料を使えば、最終的に足場の周りに実際の組織を形成できる細胞を含む多孔質の足場を3Dプリントできるだろう。」
△細胞（赤）がコラーゲン線維構造（黄色）上に播種されたバイオハイブリッド複合体の顕微鏡画像。画像はコーネル大学より。
天然素材と合成素材の組み合わせ<br /> 人間の体は常に動いている性質上、組織は指示に従って曲がるほど柔軟でありながら、持続的な負荷に耐えられるほど強くなければなりません。コーネル大学の研究チームは、ハイドロゲルや合成材料は、細胞が消耗したり損傷したりしたときに代替品として使用できるが、どちらも同時に代替品として機能するのに適切な生物学的特性と機械的特性を備えていないと述べている。
科学者たちは、合成プラスチックは生きた細胞を支え維持する能力が欠けていることが多く、機能的な微細構造を生成するのが困難だと考えています。一方、コラーゲン、フィブリン、ヒアルロン酸などの天然ポリマーに関しては、生体組織の生体適合性を再現できるものの、より壊れやすい傾向があると研究者らは考えています。
本物に近い人工皮膚を製造できる、柔軟で細胞に優しいバイオインクを作成するために、研究チームは「両性イオンハイドロゲル」に注目しました。具体的には、科学者たちは、プラスとマイナスに帯電した分子群を含むこの物質にコラーゲンを混ぜると、細胞の成長をサポートしながら複数の衝撃に耐えることができることを発見しました。
「これらの荷電基はコラーゲン中の負電荷および正電荷基と相互作用し、この相互作用により材料はエネルギーを消散させ、高いレベルの靭性を達成することができる」と、この研究のもう一人の共同筆頭著者であるローレンス・ボナサール氏は説明した。
△コーネル大学教授、ローレンス・ボナサール氏。写真提供：コーネル大学。
よりリアルな人工皮膚の基礎を築く？
興味深いことに、研究者らは論文の中で、コラーゲンが繊維状のネットワークに自己組織化し、それが周囲のハイドロゲルとイオン結合するため、バイオハイブリッド複合材料の配合には「単純な混合」のみが必要であると述べている。ブークラス氏によると、これにより、天然の軟骨に見られるのと同じコラーゲンの相互接続ネットワークが生成されますが、それ以外の方法ではこれを生成するのは非常に困難です。
研究チームはこの材料をテストし、コラーゲンを添加すると、未処理のポリマーマトリックスと比較して弾性率が 40% 増加することを示しました。また、コラーゲンとハイドロゲルを組み合わせることで、ひび割れるまでに吸収できるエネルギーが11倍になり、関節軟骨などの組織に似た特性が得られることも発見した。
生体適合性に関して、科学者たちは、コラーゲンポリマーが細胞の成長をサポートする能力が100倍以上あり、細胞生存率が90パーセント以上であることを発見した。研究者らは、この材料の生合成プロセスの研究を継続するつもりであり、現在、組織の3Dプリントへの実現可能性のテストを開始しているという。
△HK inno.NはT&RBiofabと提携し、3Dバイオプリンティング技術を使用して人間の皮膚を製造しました。画像はT&RBiofabより。
3D バイオプリント組織の可能性<br /> 人体組織の 3D プリントは、一般的にはまだ研究室でのテスト段階ですが、その背後にある技術は、過去数年だけでも飛躍的に進歩しました。 2022年1月、バーミンガム大学とハダーズフィールド大学の研究者らは、バイオプリントされた皮膚を使用して深い傷を治療する方法を開発したと明らかにした。
同様に、昨年末、NOVOPLASMコンソーシアムは「世界初」の3Dプリント免疫皮膚モデルの作成を発表しました。このモデルは冷プラズマ技術を使用して開発され、将来的には感染した火傷や炎症を起こした皮膚移植などの症状の治療に使用される可能性がある。
3D プリントは、創傷治癒の用途に加えて、スキンケア製品開発用の組織の作成にも使用されています。たとえば、HK inno.N と T&R Biofab は協力して、動物実験の代替として使用できる薬物試験用の 3D バイオプリント組織を開発しました。
研究者らの研究結果は、Cameron Darkes-Burkey、Xiao Liu、Leigh Slyker、Jason Mulderrig、Wenyang Pan、Emmanuel P. Giannelis、Robert F. Shepherd、Lawrence J. Bonassar、Nikolaos Bouklas が共著者である論文「柔らかく、強靭で、細胞適合性のあるバイオハイブリッド複合材料の簡単な合成」に詳しく記載されています。

関連論文リンク: https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2116675119

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