光硬化バイオ3Dプリントのチュートリアル：高精度ハイドロゲルスキャフォールドの製造

出典: EFL

投影ベースの3Dバイオプリンティング（PBP）は、高精度、高速、自立型などの利点があり、近年、バイオ製造分野でPBPの成功した応用事例が増えています。しかし、PBP の原理を完全に理解するには、光学、ポリマー、工学、生物学などの包括的な分野の背景知識が必要です。また、初心者が PBP プロセスを習得するには、長期間の試行錯誤と経験を積む必要があります。 PBP の参入障壁を下げることで、より多くの研究者がこの技術の恩恵を受けることができるようになります。

最近、EFL チームは長年の関連経験に基づき、Bio-Design and Manufacturing 誌に「投影ベースの 3D バイオプリンティングによるハイドロゲルスキャフォールド製造」と題する技術ノートを発表し、標準的なハイドロゲルスキャフォールド印刷プロセスを紹介しました。PBPバイオスキャフォールドの印刷を「材料の準備」、「スキャフォールド印刷」、「後処理」、「細胞接種」の 4 つのステップに分け、標準化された操作方法を提供し、多くの一般的な問題、技術、およびその背後にあるメカニズムを整理しました。このチュートリアルを通じて、PBP 初心者を支援し、エンジニアリングのバックグラウンドを持たないユーザーのプロセステストの時間とコストを削減し、PBP を研究を加速するための強力なツールとして使用できるようにしたいと考えています。最初の論文は博士課程の学生であるSun Yuanが執筆し、責任著者はHe Yong教授です。

【PBPワークフロー】

図1 PBP操作フローチャート（EFL-8601プリンタを例に）
1. 材料の準備:

投影光硬化印刷に使用されるGelMA感光性ハイドロゲルの各成分の組成、比率、調製方法、保管方法、機能メカニズムを紹介します。従来の3D細胞培養と異なるのは、印刷エラーを減らすために材料に光吸収剤が添加されていることです。標準化されたプロセスに加えて、加熱して溶解する前に冷たい溶剤を使用してコンポーネントを湿らせることと、溶解後に生成された多数の微小気泡を遠心分離によって除去することの 2 つの実用的なヒントが特に強調されました。これにより、印刷品質が大幅に向上します。

2. 括弧印刷：

関連する印刷設備の商品化により、印刷プロセスの設定は非常に簡単になり、印刷パラメータ設定には通常、ソフトウェア内の推奨値が備わっています。初心者でもソフトウェアのプロンプトに従ってワンクリックで印刷できます。しかし、著者は、印刷プロセスにおける 2 つの一般的な問題、つまりモデルの配置方向と印刷の落ち込みに焦点を当て、印刷時間、xy 平面と z 方向の製造精度の違いとモデルの配置方向の関係を説明し、落ち込みを防ぐために印刷濃縮液を使用してプラットフォームをコーティングする実用的な手法を紹介しました。

3. 後処理:

後処理は、PBP に精通している多くの研究者が見落としがちなプロセスです。科学的な後処理により、スキャフォールドの保管期間が大幅に延長されるだけでなく、完成品の微細構造の精度と細胞接着能力も向上します。後処理には、残っている架橋されていない物質の除去、消毒、生物学的因子処理、凍結乾燥などの標準的な手順が含まれます。

4. 細胞播種：

従来の培養皿やウェルプレートでの平らな細胞播種とは異なり、PBP で印刷されたハイドロゲルスキャフォールドは通常、複雑な 3 次元形態を持ち、複雑な曲面上に細胞を播種するには通常、複数の角度で複数回の接種が必要です。この記事では、中空の管状構造を例に、内部の空洞に細胞を充填する標準的な操作方法とその原理を紹介します。

【実験例】

図2 管状ステントの応用例管状構造は血管、髄鞘、胆管など体内に広く存在しています。著者は PBP 標準プロセスに従い、各リンクの特定のパラメータを指定しました。 PBP 印刷スキャフォールドとその後のシーディング法では、内腔全体に均一に分散された単層の内皮細胞を含む血管モデルを作成できます。

【議論：細胞搭載印刷と細胞を載せたスキャフォールド播種】

現在、細胞を充填した印刷技術は非常に成熟しています。なぜ、最初に足場を製造し、次にそれを接種するという段階的な計画がまだ必要なのでしょうか?著者は次の 2 つの重要な理由を挙げています。

1. 空間的な分離により、成形性と生物学的特性の矛盾が回避されます。

生体材料は生物学的特性と成形性の両方を備えている必要がありますが、通常、この 2 つは矛盾しています。優れた生物学的特性には、細胞への制約を減らし、物質交換を高めるために多孔質で緩い材料が必要ですが、これにより、架橋プロセス中に架橋基間の反応の可能性が必然的に低下し、成形性が低下します。これは、細胞がハイドロゲル内に 3 次元的にカプセル化されている場合に発生し、細胞を印刷する際には避けられない問題です。しかし、スキャフォールドプリンティングでは、製造工程と細胞培養工程が分離されており、製造工程では細胞は存在せず、接種工程では細胞は実際には2次元的に広がった状態で3次元のスキャフォールド表面に付着します。 2 つのプロセスは互いに制限し合うことがなくなり、細胞を運ぶためのより複雑な足場構造を作成できるようになりました。

2. 時間の分離により複雑さが軽減され、相互コラボレーションが容易になります。

セルを印刷する場合、材料、製造、セルなどの前提条件を同時に満たす必要があります。セルの活動の制限により、プロセス全体を短時間で完了する必要があります。研究者の実験的観点から見ると、これには完全な材料、工学的要素、生物学的要素が同時に存在する必要があり、間違いなく閾値が大幅に上昇します。スキャフォールドプリンティングは、スキャフォールドをあらかじめ準備し、凍結乾燥して保存し、細胞が適切な状態になったときに接種することで行うことができます。これにより、プロセス全体の複雑さが軽減され、成功率が向上し、分野間のコラボレーションが促進されます。

出典: https://doi.org/10.1007/s42242-022-00189-0

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