医療分野における3Dプリント技術の最新進歩

出典: DT ニューマテリアル

3Dプリント技術は、新しいタイプのラピッドプロトタイピング製造技術として、従来の成形技術とは根本的に異なり、パーソナライズされたカスタマイズと精密医療の面で、従来の医療に比べて比類のない利点を発揮します。これはさまざまな分野の総合的な発展によるもので、近年、医療分野では数多くの新しい技術が生まれています。これは、従来の肉眼で見える人工装具の製造から、顕微鏡で見える人体組織の製造への大きな一歩です。医療分野におけるさまざまな印刷技術の最新の応用と開発は、この分野における従来の技術の価値をはるかに上回っています。

最近、中国科学院深圳先進技術研究所医学研究所退化センターのRuan Changshun氏、Pan Haobo氏、ハルビン工業大学のFu Hongyaduo氏のチームが協力し、押し出し3Dプリントで天然骨組織「海綿骨-皮質骨」の放射状連続気孔を模倣できる骨組織工学スキャフォールド構築戦略を提案しました。この戦略は、フラクタル理論と骨組織工学スキャフォールドのバイオ製造を組み合わせ、従来の押し出し3Dプリント技術が放射状勾配気孔構造を実現する際の困難を克服しました。
重大な骨欠損の修復は、整形外科が直面する大きな問題の一つであり、人々の健康と生活の質に深刻な影響を及ぼします。人間の自然な骨組織は、高多孔性の海綿骨と低多孔性の緻密骨で構成されており、緊密な放射状勾配構造をしています。骨インプラント修復材料において自然な骨組織の放射状勾配構造をどのように実現するかは、骨組織工学研究の分野では常に難しい問題でした。押し出し 3D 印刷は、操作が簡単、使用可能な材料の範囲が広い、セル印刷が容易などの利点があるため、広く使用されています。押し出されたフィラメントの直径や分布間隔などのパラメータを調整して軸方向の勾配孔を持つスキャフォールドを設計する文献はいくつかありますが、スキャフォールドの放射状勾配の変化の研究は依然として困難です。

これを踏まえて、チームはフラクタル理論に着想を得て、コッホ・スノーフレークの反復規則に基づいてフラクタルブラケットのフラクタル曲線の単位線を設計し、定義しました。フラクタル層は、フラクタル単位線を円形配列に配列することによって得られ、円形リング層は、押し出し 3D 印刷スタッキングプロセス中にフラクタル層をサポートするように設計されています。さらに、放射状勾配骨組織工学スキャフォールドをパラメトリックに構築するための「設計-分析-製造」ワークフローが確立されました。研究結果によると、構築されたバイオニック放射状勾配スキャフォールドは、細孔構造、透過性、機械的特性などにおいて優れた勾配特性を示すことが示されています。

このプロジェクトは、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、中国科学院青年促進協会、広東省、深セン基礎研究プロジェクトによって資金提供されました。

関節骨軟骨組織の構造と構成の複雑さのため、骨軟骨欠損の統合修復は現在、医学において緊急に解決する必要がある困難な問題です。細胞 3D プリンティングは、複数の材料、複数の細胞、および生理活性因子の正確な配置と分布を実現し、複雑な組織や臓器の再構築の基盤を築くことができる高度なバイオ製造技術です。関節軟骨と軟骨下骨の異方性生理学的特性と双方向分化の必要性は、骨軟骨組織の生体工学的再構築に大きな課題をもたらします。したがって、軟骨と軟骨下骨のさまざまな細胞タイプと生理学的要件に応じて、骨軟骨組織の構造的および機能的特性を同時に模倣できる 3D 多細胞スキャフォールドを開発することが特に重要です。

最近、中国科学院上海陶磁器研究所の呉成鉄研究員と張江研究員が率いる研究チームは、複雑な骨軟骨組織の再生のためのバイオ3Dプリント多細胞足場の使用において重要な進歩を遂げました。研究チームは、無機生物活性材料を含むバイオインクの組成と複数の細胞の空間分布を設計し、多細胞生物3Dプリント技術を使用して、軟骨細胞と間葉系幹細胞を含む多細胞システムを構築しました。作成された多細胞スキャフォールドは、骨軟骨組織の異方性生理環境をシミュレートし、複雑な骨軟骨組織の修復を効果的に促進できます。
LMSバイオセラミックスを含むバイオインクを多細胞細胞と組み合わせ、3Dバイオプリンティングによって骨軟骨組織を模した二重層多細胞足場を作製し、骨軟骨欠損を修復しました。バイオ3Dプリントされた多細胞足場は、細胞増殖挙動が良好で、空間細胞分布を制御できました。
(A) 3D バイオプリント多細胞スキャフォールドの印刷プロセス。
(B) 異なる濃度の LMS バイオセラミックスを含む多細胞スキャフォールドにおける細胞増殖。
(C) 異なる濃度の LMS バイオセラミックスを含む多細胞スキャフォールドの光学画像と生細胞/死細胞染色画像 (生細胞: 緑、死細胞: 赤)。
(D) 3Dバイオプリントされた足場における2種類の細胞の空間的層状分布（上層の軟骨細胞は赤色蛍光で標識され、下層の間葉系幹細胞は緑色蛍光で標識されている）
バイオ 3D プリントされた多細胞スキャフォールドによるウサギの骨軟骨欠損の修復効果。組織学的分析により、バイオ 3D プリントされた足場が軟骨と軟骨下骨組織の両方の再生を促進することが示されました。
(A) サフラニンO/ファストグリーン組織染色画像。
(B) ヴァンギーソン組織学的染色画像。
(C) オドースコル分類システムによる各グループの修復状態の組織学的スコアリング

研究チームはまず、Li-Mg-Si（LMS）生体活性セラミックスをベースにしたバイオインクを開発し、細胞生物学3Dプリント技術を使用してバイオインクと細胞の組成と分布を制御し、軟骨細胞と間葉系幹細胞を含む多細胞システムを構築して、骨軟骨組織の異方性生理環境をシミュレートしました。バイオプリントされた多細胞スキャフォールドは 2 層として設計されており、軟骨層は軟骨細胞を搭載したハイドロゲルバイオインクであり、軟骨下骨層は間葉系幹細胞を搭載した LMS バイオセラミックスを含むバイオインクでした。この細胞とバイオインクの構成と空間設計は、軟骨と軟骨下骨におけるさまざまな細胞の増殖と分化のニーズを満たすことができます。 LMSバイオセラミックスを含むバイオインクは、骨の無機成分を模倣できるだけでなく、さまざまな生物活性イオンを放出してさまざまな細胞を特定の方向に分化させ、同時に軟骨と軟骨下骨の再生を促進します。バイオ 3D プリントされた多細胞スキャフォールドは、優れた細胞生存率、空間分布、および送達効率を示しました。これらのスキャフォールドは、in vitro でさまざまな細胞の分化挙動を制御し、in vivo で大きな骨軟骨欠損の修復を効果的に促進することができました。

このバイオセラミックインクベースの多細胞バイオプリンティング戦略の主な利点は次のとおりです。
（１）無機バイオマテリアルを１種類だけ使用したバイオインクは、複数の細胞の成長と分化に適した微小環境を提供します。
（２）多細胞３Ｄバイオプリンティング技術を用いることで、骨や軟骨の複雑な組織を模倣し、界面のない多層細胞足場を構築し、異なる種類の細胞（軟骨細胞や間葉系幹細胞）を３次元空間に精密に配置することができる。この新しい戦略は、人体の複雑な組織や臓器の再生に新たなアイデアをもたらします。
関連研究は、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、中国科学院イノベーション学際チームなどの資金によって支援されました。

現在、3Dプリンティングは「第14次5カ年計画」の新素材の重点開発目標に含まれています。「中国製造2025」戦略の実施により、中国の製造業の急速な発展と変革の促進に強力な推進力が注入されることになる。 3Dプリント技術の発展動向を深く探究し、中国の3Dプリント産業の高品質かつ健全な発展をリードし、交流を促進し、ポリマー関連分野の深い統合と応用を促進します。！

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