腱再生のための 3D プリントされたマルチスケール生体模倣足場

出典: EngineeringForLife

人間の組織は細胞と細胞外マトリックス（ECM）で構成されています。ECM は、生体材料で構成された典型的なマルチスケールの 3 次元マイクロナノ構造です。生体模倣法によって同様の生物学的足場を体外で構築できれば、体内での再生性能は間違いなく大幅に向上するでしょう。

EFL チームは、マクロ、ミクロ、ナノスケールで腱の特性を模倣した 3D プリントされたバイオニックマルチスケールスキャフォールドを報告しました。多孔質シェルとバイオニック腱鞘構造は、溶融押し出し 3D プリントによって構築されました。波形繊維とシシカバブ構造は、それぞれ近接場直接書き込み 3D プリントとハイブリッド細断結晶技術によって構築され、バイオニック腱の波形ミクロンスケールのコラーゲン繊維構造とナノスケールのコラーゲン原線維構造のバイオニクスを実現しました (図 1)。

MBT スキャフォールドは最大 6.94 MPa の引張強度を持ち、シシカバブ構造と繊維上のメタクリロイルゼラチン (GelMA) を通じて腱幹/前駆細胞 (TSPC) の接着と増殖を促進しました。動物実験では、MBT スキャフォールドを腱欠損部に外科的に縫合することで、腱組織の機械的変換を促進し、腱組織の再生を加速できることが示されています。

関連研究は、「腱再生のためのマルチスケール生体模倣スキャフォールドの 3D プリント」というタイトルで Advanced Functional Materials に掲載されました。浙江大学のHe Yong教授、湖州師範大学のMa Zhiyong准教授、貴州大学のChen Yuewei准教授が論文の共同責任著者であり、共同筆頭著者はYao Ke博士、Lu Shang博士、Zhang Xinjie博士です。

図 1 マルチスケールバイオニック腱スキャフォールドのマルチレベル構造研究者らはまず MEW 技術を使用して、収集繊維層とカール繊維層を別々に印刷しました (図 2 (a) (b))。収集された繊維の直径は 40 ～ 60 µm で、2 番目の層の縮れ繊維を収集するための基礎として機能します。集合繊維は腱コラーゲン繊維のらせん構造を再現するように設計されており、構造的なサポートを提供し、放射状の張力下での変形を吸収します。カールした繊維の直径は5〜10μmで、コラーゲン繊維の波状構造をシミュレートするために使用されます。次に、スキャフォールドを過飽和 PCL/酢酸 (HOAc) 溶液に浸し、コラーゲン原線維のらせん構造に似たナノハイブリッドシシカバブ構造を繊維表面に形成させました (図 2(c))。次に研究者らはスピンプリントで多孔質シェルを準備し、収集してカールさせた繊維をチューブに巻き、GelMA ハイドロゲルを加えました。最後に、図2(e)に示すように、正式な足場とシェル構造を組み立ててMBT足場を作成しました。

図 2 マルチスケールバイオニック腱スキャフォールドの製造プロセスさらに、研究者らは MBT スキャフォールドの機械的特性を研究しました。シェルブラケット部分では、ブラケットの機械的特性と分解性を総合的に考慮し、シェルブラケットの印刷パラメータとして 45 度の回転を使用します。コアスキャフォールド部分では、MBTスキャフォールドの波形構造が腱組織のJ字型の応力-ひずみ曲線特性を模倣できることが検証されました（図3（g））。このカールした形状により、繊維はより大きな張力を吸収し、関連する筋肉や骨によって課される機械的負荷を効果的に管理するのに役立ちます。

図 3 マルチスケールバイオニック腱スキャフォールドの機械的特性。研究者らは、MBT スキャフォールドの波形構造が腱幹細胞をカール構造に沿って成長させることを発見しました。これは、波形マイクロセルがトポロジカルガイダンスを改善し、細胞が in vivo および in vitro でのものと同様のカール構造を構築するように誘導することを示しています。同時に、研究者らはCCK8実験を通じて、ナノシシカバブ構造とGelMAハイドロゲルが細胞接着と増殖を大幅に促進し、それによってTSPCの機能と組織のリモデリングをさらに改善できることも検証しました（図4）。

図4 マルチスケールバイオニック腱スキャフォールドがTSPCの方向性成長を誘導する
さらに、研究者らは、MBTスキャフォールドが体外でTSPCのI型コラーゲン、BGN、DCNの機能発現を大幅に促進できることを確認しました。これは、体外で腱ECMを構築する際のマルチスケールバイオニックスキャフォールドの有効性を証明し、組織代替物としてのさらなる応用に大きな意義があります（図5）。

図 5 マルチスケールバイオニック腱スキャフォールドは、TSPC の機能発現を効果的にサポートします。最後に、研究者らはウサギの全層腱損傷モデルを構築し、腱欠損部に MBT スキャフォールドを縫合して、腱再生を促進する MBT スキャフォールドの効果をさらに評価しました。実験結果によると、MBTスキャフォールドは治癒過程の初期段階で腱の再生を促進できることが示されました。対照群と比較して、実験群はコラーゲン沈着がより濃く、実際の組織に似た波形構造を示しました。また、12週目には実験群のCD31+領域が少なくなり、炎症細胞と血管が減少し、修復効果が優れていることが示されました。これらの結果は、MBT スキャフォールドが対照群と比較して腱欠損部の急速な再生を促進する効果が優れていることを示しています。

図 6 マルチスケールバイオニック腱スキャフォールドは、ウサギの腱の構造的および機能的再生を効果的に促進できます。出典:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202413970

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