スティーブンス氏はマイクロ流体印刷の計算モデルを開発し、生物臓器の3D印刷に新たな道を切り開く

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-4-14 13:40 に最後に編集されました

南極のクマはじめに: 人間の臓器移植は重病患者にとって重要なライフラインとなりますが、移植に利用できる臓器は少なすぎます。米国だけでも、現在 112,000 人以上が臓器移植を待っています。臓器の 3D プリントは、将来の発展における重要な方向性の 1 つです。しかし、その開発には複雑さと技術的なハードルが伴い、印刷できる臓器の種類が制限される。

△マイクロ流体ベースのバイオプリンティングシステム、（a）マイクロ流体プリントヘッドのチャネルシステム設計、（b）バイオプリンティングシステム全体の設定。画像提供：スティーブンス研究所
2022年4月14日、アンタークティックベアは、スティーブンス工科大学の研究者がデータ分析モデルを開発することでこれらの障害を克服していることを知りました。スティーブンス・シェーファー工学科学部の機械工学准教授ロバート・チャン氏が率いるこの研究は、データ分析によってあらゆる種類の臓器を3Dプリントする新たな道が開かれ、開いた傷の上に皮膚を直接プリントすることも可能になると主張している。

「人間のドナーを必要とせずに命を救うための新しい臓器を作ることは、生物医学の発展にとって大きな利益となるだろう」と、4月に科学誌「サイエンティフィック・リポーツ」に学術研究を発表したロバート・チャン氏は述べた。「この目標を達成するのは難しい。バイオインクで臓器を印刷するには、印刷された極細繊維の形状とサイズを細かく制御する必要があり、これは現在の3Dプリンターでは不可能だからだ。」

マイクロ流体ベースのバイオプリンティングパラメータがマイクロファイバーの形状結果に与える影響の数値分析。サイエンティフィック・リポーツ、2022年; 12 (1) DOI: 10.1038/s41598-022-07392-0

チャン氏と彼のチームは、マイクロ流体工学を使用して小さなチャネルを通じて液体を正確に操作し、既存の技術よりも繊細な操作を可能にする新しい 3D 印刷プロセスを通じてこれを実現したいと考えています。「彼らの研究は、マイクロ流体バイオプリンティング技術を改良し、制御性と予測可能性を備えたマイクロ組織と微小繊維構造の製造を可能にすることを目指しています」とザエリ氏は語った。

現在のほとんどの 3D バイオプリンターは押し出しプロセスに基づいており、ノズルから噴射されるバイオインクは約 200 マイクロメートル、つまりスパゲッティの麺の幅の約 10 分の 1 の大きさです。マイクロ流体工学に基づいて、単一細胞（わずか 10 ミクロン）ほどの小さな生物学的物体を印刷できます。

△3Dバイオプリンティングの模式図。 Googleからの画像
より繊細な操作に加えて、マイクロ流体プリントヘッドがバイオプリンティングに組み込まれています。マイクロ流体工学では、従来のプリンターがカラーインクを 1 つの画像に結合するのと同じように、複数のバイオインク (それぞれ異なる細胞と組織前駆物質を含む) を 1 つの印刷構造内で相互に使用することも可能です。

これは重要なことです。なぜなら、研究者は膀胱などの単純な臓器を 3D プリントされた足場上に作成することができましたが、肝臓や腎臓などのより複雑な臓器には、多くの異なる細胞タイプの正確な組み合わせが必要だからです。例えば、「あらゆる種類の組織を複製するには、より繊細な操作とバイオインクの正確な混合が必要です」とチャン氏は言う。

△アルギン酸カルシウムの液滴形成と液滴頻度予測。画像提供：スティーブンス研究所
上記の 3D バイオプリンティングを実現するには、さまざまなプロセスパラメータ (チャネル構造、流量、流体力学など) と、それらが印刷された生物学的構造の形状と材料特性にどのように影響するかを正確に理解する必要があります。このプロセスを簡素化するために、チャン氏のチームのデータモデルは、追加の手動実験を必要とせずに結果を予測できます。ザエリは言った。

チャン氏は、マイクロ流体ベースのプリントヘッドの設計と数値評価を利用して、機能的に段階的な組織構造のバイオプリンティングのための制御されたマイクロファイバー押し出しを実現しています。この研究成果は、複数の細胞タイプを組み合わせたバイオインクを印刷するために使用でき、勾配のある幾何学的および組成的特性を持つ組織（骨と筋肉の中間）を複製することもできます。

チャン氏はまた、マイクロ流体 3D 印刷を使用して皮膚やその他の組織をその場で生成し、患者の傷口に直接交換用皮膚組織を印刷できるようにすることを研究しています。同氏は次のように語った。「この技術はまだ初期段階にあり、他に何ができるのかはまだわかっていません。しかし、この技術は非常に重要であり、3Dバイオメディカルの将来の発展の基礎となることはわかっています。」

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