研究者らが3Dプリントによる人体バイオセンサーインプラント用の独自の樹脂を開発

2022年6月28日、アンタークティックベアは、ヒューストン大学の科学者が将来的に人間の宿主に埋め込まれる可能性のある3Dプリントバイオセンサーの新しい方法を開発したことを知りました。
研究チームは、多光子リソグラフィー（MPL）を使用して、有機半導体材料を含む樹脂を層ごとに重合し、生体適合性の小さな回路基板を形成しました。これまでのところ、研究者たちはこの新しいプロセスを利用して、非常に正確なグルコースセンサーを作成した。さらなる開発により、新世代のバイオエレクトロニクス機器への道が開かれる可能性があると研究者らは考えている。
「新しい3Dバイオプリンティングプロセスでは、有機半導体（OS）材料を添加した均一で透明な感光性樹脂を導入し、さまざまな3次元OS複合微細構造（OSCM）を製造します」と研究者らは論文で述べています。「私たちの研究結果は、フレキシブルバイオエレクトロニクスからナノエレクトロニクス、臓器オンチップデバイスまで、幅広い用途でこれらのデバイスが大きな可能性を秘めていることを実証しています。」
△研究者らが最初に 3D プリントした微細構造。画像はヒューストン大学より。
導電性インプラントを現実のものに 研究者らは論文の中で、材料の多様性と達成可能な高精度（解像度15ナノメートルまで）を理由に、MPLを「最先端」の直接レーザー書き込み（DLW）3D印刷技術と位置付けている。そのためヒューストンのチームは、この技術が過去数年間に熱心な研究の対象となったタイプのナノ電子デバイスの製造に最適であると考えています。
しかし、このようなバイオインプラントを 3D プリントすることの実現可能性は、原材料の電気伝導率が低いために依然として制限されています。科学者らによると、バイオエレクトロニクスのプロトタイプは通常、無機的な特性を持つカーボンナノチューブやグラフェンで作られており、「樹脂に均一に分散するのが難しい」ことと「明らかな相分離がない」ことが原因だという。
これらの欠点を回避するために、ヒューストンの研究者らは、DMSO を配合した PEGA ポリマー、PEDOT:PSS 有機半導体、ラミニン、グルコースオキシダーゼで構成された独自の MPL 樹脂を開発しました。この樹脂は、均質なミニバイオ回路基板に正確に 3D プリントできます。
△チームの有機エレクトロニクス 3D プリントワークフロー。画像はヒューストン大学より。
3Dプリントセル互換PCB
当初、研究者らは、この材料を使って、小さなコンデンサーの配列を備えたプリント回路基板 (PCB) を含むいくつかのマイクロエレクトロニクスデバイスを製造しました。研究チームは、この技術の有効性を実証した後、さまざまな動物組織の膜に存在し、細胞の接着、シグナル伝達、移動を促進する糖タンパク質であるラミニンを使った実験を開始した。
研究チームは、樹脂にタンパク質を充填した後、さらに複雑な微細構造を3Dプリントし、マウスの組織内で48時間培養した。科学者らは、タンパク質を添加していないサンプルと比較して、細胞は「生存能力が強化」され、付着と増殖を促進する能力も保持されていると指摘した。
研究者らはインプラントの生体適合性を確立した後、デバイスの電気化学的特性を評価しようとした。生物学的に関連する周波数 1 kHz でのテストでは、マイクロ電極の直径が増加するにつれて、チームの PCB の電気インピーダンスがすべての周波数 (1 ～ 105 Hz) で減少することが示され、これは以前に報告された結果と一致しています。
最後に、科学者たちはこの方法の応用可能性を実証するために、電流を流して高い安定性と精度で血糖値を検出できる新しいタイプのバイオセンサーを作製しました。この装置は現在のモニターより10倍感度が高いため、研究チームはこの樹脂が人間への電子インプラントの進歩を加速させるのに役立つ可能性があると述べている。
「提案されたMPL互換OS複合樹脂は、フレキシブルバイオエレクトロニクス/バイオセンサー、ナノエレクトロニクス、臓器オンチップ、免疫細胞療法などの新興分野での応用に向けた、柔らかく、生体活性で、導電性の微細構造の製造への道を開くものと期待しています」と研究者らは論文で結論付けている。
△ラミニンを注入した 3D プリントされた微細構造のセット。画像はヒューストン大学より。
制御可能なインプラントの開発を進める<br /> 制御可能なインプラントというアイデアはSFのように聞こえるが、ヒューストンのチームのプロジェクトは、3Dプリント技術を通じてこのビジョンを実現した最初のプロジェクトではない。過去に、レニショーはHerantis Pharmaと共同で、パーキンソン病の治療用に設計された神経灌流薬物送達デバイスを3Dプリントする研究を実施しました。
同様に、シェフィールド大学、サンクトペテルブルク国立大学、ドレスデン工科大学の科学者らは、神経系の損傷を治療するための3Dプリント神経インプラントをこれまでに開発している。少なくとも理論上は、この装置は生物学と電子工学を組み合わせて脳をコンピューターに接続し、医師が神経疾患に対処できるようにする。
同様に、別の実験的な使用事例として、CCDC ソルジャーセンターのジョシュアウザースキー氏は昨年、3D Printing Industry に対し、米国陸軍が現在サイバーパンクスタイルのバイオセンサーに取り組んでいると語った。まだ開発の初期段階にあるこれらのデバイスは、兵士の生理学的追跡を行うと同時に、戦場での潜在的な状況的脅威に対する高度な認識を提供するために使用できる可能性があります。
研究者らの研究結果は、「フレキシブル電子回路、バイオセンサー、バイオエレクトロニクスの 3D 印刷のための有機半導体デバイスのマルチ光子リソグラフィー」と題された論文に詳しく記載されています。この研究は、オミッド・ダドラス・トゥーシ、ミラド・コラミ、アント・サム・クロスリー、ルイス・サム・タイタス、シーリーン・マージド、チャンドラ・モハン、モハマド・レザ・アビディアンが共同執筆した。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200512

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