LAM | 組織スキャフォールド製造のための光学3Dプリント技術

出典：The Paper - China Optics Focus

組織工学の概念は、1987 年に米国国立科学財団によって初めて提案され、その後 30 年間で急速に発展しました。組織工学の分野では、研究者や医療従事者が治療用細胞と生物学的信号を人工組織足場に充填して特定の細胞の付着、成長、分化を実現し、その後、足場を体内に移植して臓器や組織の修復または再生を促進します。図1 光学3Dプリント技術を使用して製造された組織工学用の3D培養足場

図1 光学3Dプリント技術を使用して製造された組織工学用の3D培養足場

従来の2次元細胞・組織培養システム（培養皿など）と比較して、安全で生物活性のある材料を使用して3次元（略称：3D）で印刷された生物学的足場は、構造と機能が生体内環境により近く、生物組織の複雑な構造をシミュレートし、細胞間および細胞と細胞外マトリックス（用語説明>）間の相互作用を促進することができ、研究と応用の見通しが非常に大きい。

現在、3D ブラケット印刷に適した技術は、非光学技術 (熱溶解積層法、電子ビーム自由成形、スピニング成形など) と光学技術 (光造形法、選択的レーザー焼結法、多光子重合法など) の 2 つのカテゴリに分けられます。その中で、光学式 3D プリント技術は、製造精度、品質、再現性、成形効率において明らかな利点があります。そのため、光学式 3D 印刷技術は、組織工学、特に細胞培養スキャフォールドの設計と処理、および関連するアプリケーションにおいて幅広い注目を集めており、研究と応用の大きな見通しがあります。

この目的のために、香港中文大学の陳世志教授の研究グループは、「3D 組織スキャフォールドを製造するための高度な光学的方法と材料」と題するレビュー記事を Light: Advanced Manufacturing 誌に発表しました。

このレビューでは、光学 3D 印刷技術を包括的に紹介し、製造精度、成形速度、材料、アプリケーションシナリオの観点から、さまざまな光学 3D 印刷技術の長所と短所をまとめ、比較します。このレビューは、光学および組織工学の分野の読者に、さまざまなアプリケーションシナリオに応じて適切な印刷方法を選択するためのリファレンスガイドを提供します。

光学式3Dプリント技術<br /> 現在 3D ブラケット印刷に使用されている光学 3D 印刷技術には、主に次のものがあります (詳しくはこちら >)。
1. 材料の噴射/押し出し
2. ステレオリソグラフィー（SLA）
3. 選択的レーザー焼結（SLS）
4. 2光子重合（TPP）
5. 体積加工図2 さまざまな光学3Dプリント技術の製造速度と精度の比較（ラベル番号は論文内の関連参照番号に対応しています）

図2 さまざまな光学3Dプリント技術の製造速度と精度の比較（ラベル番号は論文内の関連参照番号に対応しています）

材料の噴射/押し出しに基づく光学式 3D 印刷技術は、操作が簡単で、用途が広く、スループットが高く、生体適合性に優れたさまざまな材料で使用できます。組織工学におけるさまざまな種類の足場の製造に直接的なソリューションとなります。しかし、製造精度が数百ミクロンであるため、この方法はステント構造のより精密な精度が求められる用途には適していません。
SLA と SLS は、幅広い材料を利用できるため、現在市場を支配し、商業的に成熟している 2 つの光学 3D 印刷方法です。材料射出成形/押し出し成形技術と比較すると、製造効率と精度が優れています。
TPP 方式は製造速度が若干遅い (10 ～ 100 mm3/h) ものの、数百ナノメートル以上に達する最高の解像度を持ち、任意の 3D 構造を印刷する機能を備えています。したがって、TPP 技術は、複雑な構造を持つ小さな足場を製造する上で大きな可能性を秘めています。 TPPは現在、より高度な光学技術ですが、TPP印刷と生物医学的応用の組み合わせに関する研究はほとんどありません。したがって、TPP印刷技術に適した生体材料をさらに開発し、より関連性の高い組織工学アプリケーションの可能性を探ることは、TPPベースの3D印刷技術の将来の発展にとって重要です。
体積 3D 印刷技術は、最大 1 L/h の製造スループットを実現できます。しかし、このような方法は製造精度と利用可能な材料によって制限されます。既存のレポートでは、この技術は主に数百ミクロンの孔サイズを持つ 3D スキャフォールドを準備するために使用されています。図3 香港中文大学の陳世志教授の研究グループが開発したフェムト秒投影2光子リソグラフィー（FP-TPL）システム（スループット10～100 mm3/h、ボクセル精度は100ナノメートル（拡張読み取り）に達する）

図3 香港中文大学の陳世志教授の研究グループが開発したフェムト秒投影2光子リソグラフィー（FP-TPL）システム（スループット10～100 mm3/h、ボクセル精度は100ナノメートル（拡張読み取り）に達する）

材料と用途<br /> さまざまなバイオメディカルアプリケーションと 3D 印刷技術の特性に応じて、金属や合金、セラミック、（天然および人工）ポリマー、複合材料など、対応する印刷材料を選択できます。
金属/合金およびセラミック材料は、機械的強度が高いため、SLS を使用した 3 次元スキャフォールドの製造に適しており、骨組織の修復によく使用されます。バイオスキャフォールドの製造に広く使用されている材料として、ポリマーは天然ポリマーと合成ポリマーのバイオスキャフォールドに分けられ、独特の生物学的および物理的特性（生体適合性、機械的特性、組織適応性、生分解性など）を備えており、薬物送達、骨/軟骨組織の移植と修復、神経再生の分野で大きな応用の見通しがあります。図4 ハイドロキシアパタイト多孔質足場

図4 ハイドロキシアパタイト多孔質足場

実際の用途では、ポリマーステントの製造は主に SLA または材料射出/押し出し成形技術を使用して行われます。近年、合成ポリマーは、スキャフォールド製造において、より優れた柔軟性、再現性、加工性、バッチ一貫性などを示しています。合成ポリマー自体は天然素材のような生物活性を欠いているものの、ポリマー基を変更したり、異なる官能基を導入したりすることで、材料の劣化を制御し、機械的特性を調整し、生物活性を高めることができるため、組織工学における合成ポリマーの応用の基礎が築かれています。

ステントの機能は金属、セラミック、ポリマーを単独で使用することでも実現できますが、金属の毒性、セラミックの脆さ、ポリマーの機械的強度の低さなど、これらの材料自体の欠陥により、幅広い用途が制限されます。したがって、異なる材料を組み合わせて新しい複合材料を作成することにより、特定の用途の要件を満たす最適な物理的および生物学的特性を得ることができます。

このレビューでは、上記の光学 3D 印刷技術と材料に基づいて、体外細胞培養、薬物送達、骨/軟骨組織の修復と再生など、組織工学における 3D スキャフォールド製造の代表的なアプリケーションも紹介しています。特に、さまざまなアプリケーションにおけるさまざまな光学技術の例が紹介され、さまざまなアプリケーションにおける 3D 印刷技術が直面する問題と課題が議論されました。図5 癌細胞は多孔質3Dキューブスキャフォールドを通って移動する

図5 癌細胞は多孔質3Dキューブスキャフォールドを通って移動する

概要<br /> 光学式 3D 印刷技術は、その優れた性能と低コストにより、組織工学における重要な技術手段になりつつあります。より幅広い応用の見通しは、光学システムの改善だけでなく、新素材の進歩にも左右されます。このレビューでは、高スループットとラピッドプロトタイピングのための新技術の開発と、マルチマテリアルと多機能の高統合のための新しいソリューションの開発が、将来取り組む必要がある 2 つの重要な課題であると結論付けています。
実用的応用、オプション材料、3D 印刷技術間の相乗効果と相互支援は、組織工学における 3D 培養スキャフォールド製造技術の急速な革新を促進する鍵となります。つまり、高度な 3D スキャフォールドの需要が、材料と 3D 印刷技術の開発の原動力となっており、その逆もまた同様です。

| 論文情報|
Li et al. Light: 先進的な製造業 (2022)3:26
https://doi.org/10.37188/lam.2022.026

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