生物学的 3D プリンティングは生物を直接印刷するのですか?いくつかの漫画で説明

出典: EngineeringForLife

1986 年、チャールズハルは世界初の商用 3D プリンターを開発しました。30 年以上経った今日、3D プリントは私たちの生活のあらゆる側面に組み込まれています。 2000年頃、クレムソン大学、ミズーリ大学、ドレクセル大学の教授らが初めて生物学的3Dプリンティングの概念を提唱しました。これは生物学と3Dプリンティング技術を組み合わせた人類初の試みであり、生命と製造業のつながりを付け加えました。

3Dバイオプリンティングとは何ですか?
生物学的 3D プリンティングを理解したい場合、まずその基本的な概念を理解する必要があります。 3Dバイオプリンティングとは何ですか?この問題を説明するには、まず生物学的 3D プリンティングの定義を明確にする必要があります。広い意味では、3D プリント技術を使用するすべてのバイオメディカルアプリケーションは、生物学的 3D プリントの範囲内に含まれます。私たちが目にした 3D プリントされた医療補助ツールや骨代替物の一部は、広い意味で生物学的 3D プリントに属します。狭義のバイオ3Dプリンティングとは、印刷プロセスによる細胞の3次元構造形成を指し、細胞印刷や臓器印刷と呼ばれることもあります。現在、バイオ3Dプリンティングに関する研究のほとんどは、狭い観点から行われています。

バイオ 3D プリンティング研究における最も重要な 3 つの要素は、バイオインク、プリンティング技術、および組織再構築または in vitro 臓器機能化です。3 番目の要素については、組織工学や再生医療との境界が明確ではありません。人間を巨大な機械に例えると、生物3Dプリントの存在は、この「機械」が「故障した部品」（臓器移植）を交換するための技術を生み出すようなものです。しかし、現在は「故障の解決や発見」をシミュレートするためのシミュレーションモデル（in vitroモデル）の作成にしか使用できません。現段階では、「部品交換」の実現に向けた長い道のりの第一歩に過ぎません。生物学的 3D プリンティングの主な応用点として、in vitro モデルの構築により、個別化された精密医療、薬物スクリーニング、疾患メカニズムの研究を実現できます。

△生物学的3Dプリンティングの初見（引用元：https://doi.org/10.1007/s42242-019-00053-8）
生物学的3Dプリントを行うにはどうすればいいですか?
生物学的 3D 印刷を実現するには、特定のツールを使用する必要があります。一般的な生物学的 3D 印刷技術には、インクジェット、押し出し、光硬化などがあります。 3D プリントを経験したことのない友人は、これを見て「インクジェット？」と少し戸惑うかもしれません。押し出しタイプですか？光硬化ですか？これらは一体何を意味するのでしょうか?ここでは、私たちが生活の中でよく食べる「ジャガイモ」を例えとして使うことができます。ジャガイモを食べるとき、私たちはそれをさいの目切り、細切り、スライスに切ります。さいの目切り、細切り、スライスの形をしたジャガイモの単位は、ジャガイモ全体の基本材料として使用できます。私たちはそれらを積み木のように組み立てることができます。「さいの目」は、液滴を組み合わせて立体的な造形を実現するインクジェットバイオプリンティング法における液滴であり、「細切り」は押し出し型バイオ3Dプリンティングにおけるハイドロゲルの線であり、「ジャガイモスライス」は光硬化型バイオ3Dプリンティングにおいて光硬化によって形成されるハイドロゲルの面です。さらに、サスペンション印刷、同軸印刷、投影印刷など、より高度な生物学的 3D 印刷方法もいくつかあります。現在、市場に出回っている生物学的3Dプリント機器のほとんどは、サイズが比較的大きく、機能が複雑で、高価であるため、最終結果を判断できる比較的定量的な指標を誰もが持つことが困難になっています。生物 3D 印刷装置のエンドユーザーは主に第一線の科学研究者と医師であるため、生物 3D プリンターは生物医学のバックグラウンドを持つ人々が操作できるものでなければなりません。また、価格が手頃で、操作が簡単で、定量的な指標があり、一般的に適用可能である必要があります。

△生物学的3Dプリンティングの実現方法と現状のニーズ（引用元：https://doi.org/10.1007/s42242-020-00064-w）
3D バイオプリンティングは何をするのですか?

生物3Dプリントの3つの要素のうち、組織の再構築とin vitro臓器機能化は、現段階ではこの分野の研究の最終目標です。その中でも、薬物スクリーニングのためのin vitro 3Dモデルの構築は、関連する研究のホットスポットとみなされることが多いです。理想的な in vitro モデルは、生体内の病理学的状態、ヒト組織の形態および機能をより適切に再現し、薬物スクリーニングの効率を向上させるのに役立ちます。薬物スクリーニングの現在の問題は、コストの高さと倫理的な制限です。原理的には、バイオ3Dプリントで製造されたオルガノイド、ミニ組織、臓器チップを使用することで、上記の問題を回避できます。さらに、これらは標準化が容易で、薬物スクリーニングモデルの構築に独自の利点があります。私たちは、バイオ 3D プリンティングを使用して体外でヒト細胞を組み立て、組織や臓器のモデルを作成することが、バイオ 3D プリンティングが将来注力すべき方向であると考えています。

△ 薬物スクリーニングのための生物学的 3D プリント in vitro モデル (引用元: https://doi.org/10.1007/s42242-020-00067-7)

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