環境に優しく安全な 3D プリントコラーゲンハイドロゲル: 材料設計、印刷方法から応用まで

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

近年、バイオメディカル分野における3Dプリント技術の応用は急速に発展しており、特に組織工学や再生医療の分野で大きな可能性を示しています。中でもコラーゲンハイドロゲルは、そのユニークな材料特性と優れた生体適合性により、研究のホットスポットとなっています。コラーゲンは人体に自然に存在する構造タンパク質で、三重らせん構造を保持する能力を持っています。天然組織に似た細胞外マトリックス環境を提供するだけでなく、細胞の接着、増殖、分化を促進する上で大きな利点があります。従来の合成ポリマーと比較すると、コラーゲンハイドロゲルは天然由来、生分解性、低免疫原性のため、臨床用途における 3D バイオプリンティングに環境に優しく安全で効率的な代替手段を提供します。

実際の用途では、コラーゲンハイドロゲルの設計と最適化は、さまざまな生物医学的ニーズに応じて調整する必要があります。コラーゲンハイドロゲルの機械的特性、印刷安定性、生体活性は、メチルメタクリレート (CMA) などの化学修飾や物理的架橋によって大幅に改善されました。この材料は、一般的な押し出し 3D 印刷に適しているだけでなく、デジタル光処理 (DLP) などの高精度印刷技術でも優れた性能を発揮します。研究者らは、材料の印刷性と機能性をさらに向上させるために、ヒアルロン酸やゼラチンなどの補助材料も導入し、細胞の挙動と組織の構築をより適切に制御できる複合ハイドロゲルシステムを形成しました。

3D プリントされたコラーゲンハイドロゲルは、材料設計の柔軟性、印刷方法の多様性、優れた生体適合性と機能性により、再生医療や組織工学における幅広い応用可能性と臨床応用性を示しています。材料特性と印刷技術を継続的に最適化することにより、この環境に優しく安全なバイオインクは、将来の個別化医療や組織再生のための重要なツールになりつつあります。この EFL 号では、コラーゲンハイドロゲル 3D プリントに関する 10 の革新的なアプリケーションと最先端の研究を体系的にまとめ、さまざまな生物医学分野におけるその具体的なアプリケーション、課題、将来の開発方向を探ります。

参考文献 1: Adv. Healthcare Mater. マイクロゲル槽に埋め込まれたコラーゲンの 3D バイオプリントによるハイドロゲルの微細構造と細胞の広がりの制御 材料設計: 埋め込み型 3D バイオプリンティングの文献では、物理的に自己組織化されたコラーゲン (PHYS) とバイオ直交クリック化学によって架橋されたコラーゲン (SPAAC) の 2 種類のコラーゲンインクが使用されています。 PHYS コラーゲンは生理学的温度で原繊維を形成することによってゲルに自己組織化しますが、SPAAC ゲルは歪み促進アジド-アルキン付加環化 (SPAAC) 反応によって共有結合的に架橋されます。さらに、プルロニック F-127 支持浴、カルボポール支持浴、ゼラチン微粒子支持浴など、さまざまな支持浴の調製が文献に詳細に記載されています。

印刷方法: デュアルノズル 3D バイオプリンティングシステムを使用して埋め込み印刷を実行しました。

材料の応用: この論文では、埋め込み型 3D バイオプリンティングにおいてゼラチン微粒子支持浴を使用して印刷されたコラーゲンハイドロゲルの応用、特にハイドロゲルの微細構造と細胞の挙動の制御について研究しています。この研究では、適切な支持浴と架橋化学を選択することで、印刷された構造の安定性を維持しながら良好な細胞拡張を実現できることが示されました。さらに、マクロ多孔構造を持つ SPAAC コラーゲンハイドロゲルは、角膜間質幹細胞 (MSC) の増殖能力を大幅に高めることができ、組織工学への応用に潜在的な利点をもたらします。

出典: https://doi.org/10.1002/adhm.202303325

参考文献 2: 「Adv. Healthcare Mater」低濃度コラーゲンベースのバイオインクを使用した乳がん細胞とオルガノイドの埋め込みバイオプリンティング 材料設計: 低濃度の I 型コラーゲンをベースにしたバイオインクを使用し、コラーゲン-HA-pNIPAM (CH) バイオインクと呼ばれる熱応答性ヒアルロン酸 (HA) ベースのポリマーと組み合わせました。バイオインクは埋め込み型 3D バイオプリンティング用に最適化されており、乳がん細胞やがん関連線維芽細胞 (CAF) に適していました。この研究では、生体適合性があり物理的に架橋されたシルクハイドロゲルを埋め込み型 3D 印刷のサポート浴として使用し、低粘度コラーゲンバイオインクの印刷をサポートしました。

印刷方法: シルクタンパク質ハイドロゲルサポートバスに埋め込まれた 3D バイオプリンティング技術を使用して印刷が行われます。

材料の応用: この研究で使用した材料は、埋め込まれた 3D プリント乳がん腫瘍モデルと血管新生腫瘍モデルに適用され、生体内の腫瘍の形態と微小環境特性をシミュレートしました。研究の結果、CH バイオインクを使用して印刷されたモデルは、生体内の腫瘍組織と同様に、癌細胞と間質細胞の空間構成と表現型をよりよく維持できることが示されました。このアプローチは、将来の創薬研究に技術的な利点をもたらし、乳がんの細胞生物学や薬物スクリーニング研究において可能性を示しています。

出典: https://doi.org/10.1002/adhm.202300905

参考文献 3: 「Adv. Healthcare Mater」クエン酸調節ジェランガムマイクロゲル浴におけるコラーゲン足場の高解像度 3D プリント 材料設計: 高解像度の 3D 印刷を実現するために、改良されたジェランガム (GG) マイクロゲル浴を使用した新しいサポート浴が設計されました。 GGマイクロゲル浴にクエン酸三ナトリウム（TSC）を導入することで、マイクロゲルの凝集が抑制され、均一な浴形態が形成され、TSCの脱水効果により浴中のコラーゲンインクの拡散が抑制されました。この設計により、印刷解像度が効果的に向上します。

印刷方法: BIO-X バイオプリンターを使用して、GG マイクロゲル浴で埋め込み印刷を実行しました。

材料の応用: 研究対象となった材料は、手、耳、人間の心臓モデルなど、さまざまな複雑な 3D 生物学的構造を印刷するために使用できます。 GG マイクロゲル浴の粒子サイズと分散性を調整することにより、印刷されたコラーゲンモデルは複雑な解剖学的構造を正確に再現し、優れた生体適合性を示します。これらの印刷された構造は、ヒト人工多能性幹細胞由来心筋細胞（HiPS-CM）との共培養後に周期的な拍動挙動を示し、組織工学および医療用途における可能性を示しています。

出典: https://doi.org/10.1002/adhm.202301090

参考文献4：「Adv. Healthcare Mater」コラーゲンの低粘性複合材料に基づく神経血管組織の3Dバイオプリンティングモデル 材料設計: 神経血管組織の 3D プリント用に、低粘度のアルギン酸/コラーゲン複合バイオインクが設計されました。バイオインクはアルギン酸ナトリウムとコラーゲンで構成されており、印刷プロセス中にCaCl2を使用して一時的に架橋され、粘弾性と安定性が向上します。培養段階では、アルギン酸リアーゼが追加され、アルギン酸部分が切断され、ハイドロゲルの剛性が低下し、多孔性が増加し、脳マトリックスに似た微小環境が細胞に提供されます。この設計により、神経血管単位 (NVU) モデルの構築ニーズに合わせて、材料の機械的特性と微細構造を動的に調整できます。

印刷方法: 神経血管単位 (NVU) モデルは、埋め込み 3D 印刷とホットキャスティングプロセスを組み合わせて構築されました。

材料の応用：本研究の材料は、神経血管単位（NVU）モデルの3Dプリントおよびin vitro生体模倣構造の構築に使用されました。その結果、この低粘度バイオインクを使用することで、内皮細胞がタイトジャンクションタンパク質の発現と選択的透過性を示し、グリア細胞が外層で分岐して伸び、内皮細胞と直接相互作用する、多層共軸構造の神経血管モデルを印刷できることが示されました。このバイオニックモデルは、NVU 機能、神経薬物スクリーニング、脳疾患モデル構築をさらに研究するための新しいアイデアと方法を提供します。

出典: https://doi.org/10.1002/adhm.202300004

参考文献 5: バイオファブリケーション光架橋中性溶解コラーゲンをバイオプリンティングして、プログラム可能な細胞配向を持つ移植可能な結合組織を構築する 材料設計: 細胞をプログラム可能な配向で移植可能な結合組織を印刷するために、光架橋中性可溶性コラーゲン (NorCol) をベースにしたバイオインクを設計しました。 NorCol は、酸可溶性コラーゲンと 5-ノルボルネン-2,3-ジカルボン酸無水物を反応させることによって合成され、コラーゲンの分子構造を完全に保持し、優れたせん断減粘性と自己修復特性を備えています。印刷プロセス中に遊離チオール基の数とin situ照射強度を調整することにより、支持材料と細胞を充填したハイドロゲルとの間に安定した接着界面が実現され、それによって形状誘導型で弾性率に依存しない異方性機械環境が構築され、細胞の配向が促進されます。

印刷方法: SLA Bioprinter Pro バイオプリンターを使用して押し出し 3D 印刷を実行し、UV 光で架橋しました。

材料の用途: 研究対象となった材料は、細胞配向を備えた複雑な組織構造を構築できる移植可能な結合組織の 3D プリントに使用されます。 NorCol のさまざまな濃度を調整し、光架橋プロセスを制御することにより、NorCol バイオインクは高い機械的強度と細胞生体適合性を備えた足場構造を印刷することに成功し、in vitro 培養で良好な細胞増殖および分化特性を示しました。このバイオインクシステムは、組織工学および再生医療における結合組織の再構築に新たなアプローチと可能性をもたらします。

出典: https://doi.org/10.1088/1758-5090/acc760

参考文献6：ACS Materials Lett. 乳がん細胞の移動を研究するための2光子3Dプリント制御可能マイクロゲルチャネル（2023.11.13）
材料設計: この研究では、超分岐ポリエチレングリコール (PEG) 高分子をベースにした新しい感光性ポリマーを設計し、マイクロ流体チップ内に調整可能なハイドロゲル微細構造を作成しました。ポリマーは、2光子励起下での環化付加架橋により安定したハイドロゲル微細構造を形成します。この「ハイドロゲル-ハイドロゲル」印刷戦略により、制御可能な形状と機械的特性を持つハイドロゲル微細構造を、3 チャネルのマイクロ流体チップ内のコラーゲンマトリックス内に印刷できます。

印刷方法: 2光子共焦点顕微鏡を使用して、事前に硬化したコラーゲンマトリックスに印刷しました。

材料の応用: この研究で使用した材料は、マイクロ流体チップ内に制御可能なハイドロゲル閉じ込め微小環境を作成し、さまざまな機械的ストレス条件下での癌細胞の移動挙動を研究するために使用されました。結果は、MDA-MB-231 乳がん細胞は、より硬いハイドロゲル閉じ込め環境では核移行と YAP の活性化を伴い、より速い移動速度を示したことを示しました。このプラットフォームは、限られた微小環境における細胞移動のメカニズムと、腫瘍転移への潜在的な応用を研究するための強力なツールを提供します。

出典: https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00853

参考文献 7: バイオファブリケーション: 関節軟骨欠損の修復のための、注入可能で 3D プリント可能な軟骨促進ヒアルロン酸とコラーゲン II 型複合ハイドロゲル (2023 年 10 月 27 日)
材料設計：この研究では、メタクリル化ヒアルロン酸（MeHA）とさまざまな種類のコラーゲン（I型コラーゲンCol IとII型コラーゲンCol II）を複合した、関節軟骨マトリックスにヒントを得たプロ軟骨形成ハイドロゲルを設計しました。 MeHA の導入により、ハイドロゲルの機械的特性が向上し、光架橋による安定したハイドロゲルネットワークの形成が可能になりました。 MeHA-Col I、MeHA-Col I/Col II 複合ハイドロゲル、および MeHA-Col II ハイドロゲルの 3 つの処方が開発されました。 Col I の組み込みはハイドロゲルの機械的安定性を高めることを目的としており、Col II の組み込みは軟骨形成能を高めました。

印刷方法: 熱可逆性ゼラチン支持浴で FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) 法を使用して 3D 印刷を実行しました。

材料の応用: この研究で開発された MeHA とコラーゲンベースのハイドロゲルは、関節軟骨の欠損を修復するために使用され、低侵襲の関節鏡注射または 3D プリントされた個別の再生スキャフォールドを通じて治療できます。 MeHA-Col II ハイドロゲルは、軟骨マトリックス生成能力が高いため、注射用途に適していると考えられており、一方、MeHA-Col I/Col II ハイドロゲルは、機械的安定性が高く、3D 印刷性能が優れているため、パーソナライズされた再生スキャフォールドの印刷に適していると考えられています。研究により、これらのハイドロゲルは MSC の軟骨分化と特定の軟骨マトリックスの沈着を効果的に促進できることが示されており、軟骨再生医療への応用に新たなソリューションを提供します。

出典: https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad047a

文献8：「生体高分子」メタクリル化コラーゲンハイドロゲルの機械的特性、細胞適合性、印刷性に対する種差の影響（2022.11.23）
材料設計: この研究では、細胞充填と 3D バイオプリンティング用に、メタクリル化コラーゲン (CMA) をベースにした感光性ハイドロゲルを設計しました。 CMA ハイドロゲルは、ウシ、ヒト、ラットの 3 つの異なる原料からコラーゲンをメタクリル化することによって製造されました。この研究では、さまざまなソースからのコラーゲン、さまざまな抽出方法 (酸抽出とペプシン消化)、さまざまな光開始剤 (Irgacure-2959 および LAP) が CMA ハイドロゲルの機械的特性、細胞適合性、印刷適合性に与える影響を評価しました。

印刷方法: CMA ハイドロゲルは、FRESH 法を使用してゼラチンサポートバスに印刷されました。

材料の応用：本研究で開発された CMA ハイドロゲルは 3D バイオプリンティングに適用され、特に組織工学用の複雑な組織構造や足場の印刷において優れた性能を示しました。結果は、ヒトコラーゲン由来の CMA が最高の印刷忠実度を持ち、複雑な組織工学構造を印刷するためのバイオインクとして適していることを示しました。

出典: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00985

参考文献9：Materials Today Bio：機能化された生体模倣ミネラル化コラーゲンは、3Dプリントされたチタン合金の微細孔界面で骨の統合を促進します（2023年12月5日）
材料設計：本研究では、アルギン酸ナトリウム（SA）と血管内皮増殖因子（VEGF）を添加した機能化された生体模倣ミネラル化コラーゲン（FMC）材料を設計しました。 FMC 材料は機械的強度が優れているだけでなく、成長因子を継続的に放出して骨や血管の再生を促進します。 3Dプリントされたチタン合金スキャフォールドの微細孔にFMC材料を充填することで、新しい有機-無機生体活性界面が形成されます。 FMC が分解し続けると、周囲の環境にある骨髄間葉系幹細胞 (BMSC) と血管内皮細胞 (VEC) がスキャフォールド表面に引き寄せられ、骨と血管の再生が促進されます。

印刷方法: チタン合金ステントを電子ビーム溶融システムを使用して印刷し、その後 FMC ハイドロゲルで充填しました。

材料の応用: 研究対象となった材料は、3D プリントされたチタン合金の足場と骨組織の統合を促進するために使用されます。研究の結果、機能化ミネラル化コラーゲン（FMC）とチタン合金スキャフォールド（sTi/VEGF）の組み合わせにより、骨と血管の再生が大幅に促進され、スキャフォールドと骨組織界面の統合が強化されることが示されました。試験管内および生体内実験の両方で、sTi/VEGF は BMSC の増殖と骨形成分化を促進し、VEC 凝集を誘導し、骨形成および血管新生関連遺伝子の発現を増加させることが示されました。ウサギの大腿骨欠損部に移植後、マイクロCTおよび押し込み実験により骨結合促進効果が検証されました。

出典: https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100896

参考文献10：《Materials Today Bio》デジタル光処理（DLP）および押し出しバイオプリンティングにおけるゼラチンメタクリレート（GelMA）と比較した光硬化性コラーゲンベースの細胞搭載バイオインクの利点（2023.09.16）
材料設計：本研究では、豚の皮膚由来のI型コラーゲンを使用し、低温（4℃）および酸性条件（pH < 7.0）でメタクリレート処理して生体適合性と印刷性能を改善した、改質メタクリル化コラーゲン（CMA）光硬化性バイオインクを設計しました。 CMA バイオインクは光硬化特性に優れており、シュワン細胞 (SC) や骨髄間葉系幹細胞 (BMSC) と組み合わせてデジタル光処理 (DLP) や押し出しバイオプリンティングに使用できます。従来のメタクリル化ゼラチン (GelMA) と比較して、CMA はコラーゲンのユニークな三重らせん分子構造を保持し、細胞とマトリックス間のシグナル伝達と相互作用を促進します。

印刷方法: DLP と押し出し 3D 印刷を UV 光源印刷と組み合わせます。

材料の応用: この研究の材料の応用には、DLP および押し出し 3D バイオプリンティングに適したコラーゲンベースのバイオインクの開発が含まれ、特に細胞が埋め込まれた 3 次元組織工学スキャフォールドの構築に適しています。研究では、従来の GelMA と比較して、DLP 印刷で CMA バイオインクを使用すると、構造の忠実度が高く、表面がより滑らかになり、細胞増殖、形態、遺伝子発現の点で優れた生物学的特性を示すことが示されました。この改良された CMA バイオインクは、特に神経組織の再生や骨組織工学の用途において、将来の細胞搭載型 3D バイオプリンティングに新たな方向性をもたらします。

出典: https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100799

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