清華大学張婷、熊卓チーム：3Dプリント用細胞含有マイクロゲルベースの二相性バイオインク

出典: EngineeringForLife

3D プリントに使用されるバイオインクは通常、適切なレオロジー特性を備えており、これは 3D プリント材料の選択において最も重要な要素でもあります。さらに、インクは高い形状忠実度と理想的な微小環境の要件を満たす必要があります。清華大学の張婷准研究員と熊卓准教授のチームは、組織工学やソフトロボティクスなどの生物医学分野で大きな応用が期待される細胞を含んだマイクロゲル二相性バイオインク（MB）の開発に協力しました。

関連論文「バイオメディカル用途向け、不均一な微小環境を備えた細胞含有マイクロゲルベースの二相性バイオインクの 3D 印刷」が、Advanced Functional Materials 誌に掲載されました。

従来のバイオインクと比較して、このバイオインクは2つの部分で構成されています。(1)密集した状態のマイクロゲルが個別の相であり、バイオインクの最初のネットワーク構造を形成します。(2)ハイドロゲル前駆体が連続相として隙間に浸透し、マイクロゲル間に2番目のポリマーネットワークを形成します。まず、研究者らはGelMAをキャリアとして使用し、MBバイオインクが3D印刷プロセス中に良好な押し出しと構造安定性を示し、明らかな2つの相を示し、インクによって形成されたゲルが細胞の増殖と拡散に対応できることを発見しました。このアプローチは汎用性が高く、さまざまな材料、さまざまなサイズ、細胞密度から細胞を充填したマイクロゲルを調製できます。（図1）

図 1 細胞を充填した MB バイオインクの調製と 3D 印刷バイオインクのレオロジー特性は、押し出しバイオプリンティングにとって非常に重要です。 MB バイオインクのレオロジー特性を、バルクハイドロゲルおよび従来のマイクロゲルベース (JM) バイオインクのレオロジー特性と比較しました。予想どおり、室温では、せん断速度の増加とともにすべてのインクの粘度が低下し、マイクロゲル成分を追加すると MB バイオインクの粘度が増加しました。従来の GelMA ハイドロゲルインクと比較して、MB バイオインクの粘度は温度に依存しません。研究者らは、アルギン酸ナトリウムと GelMA をインクの前駆体として使用し、押し出し印刷に必要なレオロジー特性はマイクロゲルの密な充填状態に依存し、マイクロゲルと二次ネットワークの組成とは無関係であることを発見しました。
図2 MBバイオインクのレオロジー特性と組成の多様性次に、研究者らはMBバイオインクの印刷性を研究し、抵抗が小さいため、マイクロゲルが間質ハイドロゲル前駆体によって均一に押し出され、405nm光による後架橋によってさらに安定化され、隣接する層間の相互接続性が良好であることを発見しました。そして、このバイオインクは、人間の臓器のさまざまな複雑なバイオニック構造を印刷することができます。（図3）

図 3 MB バイオインクを使用した 3D 印刷機能と忠実度次に研究者らは、さまざまなインクの機械的特性を比較しました。GelMA バルクハイドロゲルと比較すると、MB バイオインクと JM バイオインクはより高い弾性を示しました。さらに、MB バイオインクの場合、圧縮条件下でマイクロゲルが第 2 ネットワーク内にさらに閉じ込められるため、JM バイオインクと比較して弾性率が比較的高くなります。 MB バイオインクは、並外れた構造的堅牢性とサイクリング性能を発揮します。（図4）

図 4 MB バイオインク印刷構造の機械的特性研究者らは、肝臓組織を印刷するために、それぞれ MB バイオインクのマイクロゲルとハイドロゲルの前駆体に HepG2 と HUVEC をカプセル化しました。 HUVEC は主に MB バイオインクグループのマイクロゲル間領域に存在することがわかりました。純粋なハイドロゲルバイオインクと比較して、MBバイオインクグループのHUVECは3日目と7日目に高い増殖率を示し、細長い形態を持ち、内皮細胞の集合を通じてランダムな管状血管構造を形成し、HepG2マイクロゲルの表面を覆いました。 MB バイオインクは、比較的成熟した肝細胞遺伝子およびタンパク質発現プロファイルを有しており、肝機能および肝臓特異的遺伝子およびタンパク質の発現を高めることができます。（図5-6）

図 5 調整可能な異種微小環境を構築するための 3D プリントされた血管付き肝臓組織図 6 肝機能と肝臓特異的遺伝子およびタンパク質発現レベルの評価要約すると、このマイクロゲルベースの二相性 MB バイオインクは、機械的調整可能性、超弾性、および異種微小環境を備えて柔軟に設計されており、組織工学やソフトロボットなどの生物医学的用途における 3D バイオプリンティングの新たな可能性を切り開きます。

出典: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109810

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