結晶化相変化3Dプリント法は、高精度で秩序だった微細多孔性バイオハイドロゲル足場の製造を実現します。

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

3D プリントされたバイオハイドロゲルスキャフォールドは、再生と修復の方向で膨大な数の応用シナリオを持っています。しかし、バイオハイドロゲルの非常に柔らかい特性のため、高忠実度の 3D プリントは極めて困難です。さらに、ハイドロゲルの内部空隙は小さいため、内部の細胞の成長には役立ちません。

福州大学生物科学工学部の王少雲教授チームと浙江大学の何勇教授チームは、高忠実度の結晶相変化3D印刷法を提案した。関連研究は最近、有名な学術誌「Advanced Functional Materials」に「高忠実度で整然とした微細孔を持つバイオハイドロゲルの結晶変換3D印刷」というタイトルで掲載された。

超ソフトなバイオハイドロゲルは印刷が難しいため、印刷中に一時的に強度を高めることで、この問題を効率的に解決できることは間違いありません。現在、業界ではハイドロゲルの強度を一時的に高めるために凍結や加熱の方法が頻繁に使用されていますが、この方法には多くの制限があります。本研究では、印刷プロセス中に急速な結晶化による相変化を生じさせることでハイドロゲルの強度を急速に向上させるという新しいアイデアを提案し、相変化に蜜蝋を使用するインクシステムを開発しました。利点は、相変化材料である蜜蝋が簡単な加熱で溶出できることです。さらに興味深いのは、相変化の効果により、ハイドロゲル内部に多孔質構造を簡単に構築できるため、印刷精度が向上するだけでなく、細胞培養や組織工学の用途にも適していることです（図1）。

図1 相変化インクの動作原理と印刷への応用の概略図
1. メインコンテンツ<br /> 異なる融点を持つ相変化材料は、印刷中のスムーズな押し出しと忠実度のバランスを実現する可能性があります。ドコサンとドコサンパルミテート、ゼラチン、キサンタンガムの複合体から構築された相変化インク (DBHI) の相変化挙動を評価しました。結果は、シミュレートされた印刷プロセス中に、ドコサンがエネルギーを消費し、ハイドロゲルインクのゲル化プロセスを加速することを示しました (図 2)。

図 2 DBHI と BHI の熱伝達プロセスの特性とメカニズムの研究アルカンとエステルは天然素材である蜜蝋の主成分です。蜜蝋、ゼラチン、キサンタンガムを含む相変化インク（BHI）が開発され、BHIは優れたレオロジー特性と印刷適応性を備えています（図3）。この印刷性能は、単一の固体エステルを含むバイオインクでは達成できず、エネルギー消費メカニズムを説明するために、1) 蜜蝋とハイドロゲルの相互作用、2) 冷却中の相変化インク内のアルカンの結晶変化という 2 つの仮説が提案されています。これら 2 つの仮説を確認するために、BHI が研究されました。結果は、3D 印刷プロセス中に、蜜蝋中のアルカンが結晶変化を起こし、エネルギーを消費してハイドロゲルのゲル化を加速することを示しています (図 2)。同時に、同じ戦略を使用して、相変化インクを構築するこの方法は汎用性があり、カラギーナン、ジェランガム、寒天などのさまざまな冷硬化性ハイドロゲルの 3D プリントに適用できることがわかりました (図 3)。

図 3 BHI の 3D プリント適応性と汎用性。次に、BHI の相変化材料の低い融点と 2 つの相間の非互換性を利用して、高忠実度多孔質ハイドロゲル (HFPH) スキャフォールドを構築しました (図 4)。対照群と比較して、多孔質ハイドロゲル足場はヒト皮膚線維芽細胞（HSF）の成長を促進し、培養7日後の細胞生存率は89.08％と高かった。さらに、培養プロセス中に HSF が徐々に多孔質ハイドロゲルスキャフォールドに移動することが観察され、良好な in vitro 生体適合性を示しました。

図 4 HFPH スキャフォールドの形成、特性、生体適合性複雑な真皮組織を培養する HFPH スキャフォールドの能力を評価するために、高さ 19 mm の耳の形をしたスキャフォールドが印刷されました。 HSF細胞の培養時間が長くなるにつれてスキャフォールドの破断強度はわずかに低下しましたが、培養21日後もスキャフォールドは耳の形状と弾性精度を維持しました（図5）。さらに、Ki-67、α-SMA（α-平滑筋アクチンのマーカー）、コラーゲンI（コラーゲン繊維のマーカー）が豊富に発現していました。形態学的および免疫組織化学的分析により、HFPH スキャフォールドは細胞の増殖と移動に有益であり、細胞が増殖して成長するにつれて分解され、新しく合成された筋繊維とコラーゲン繊維に置き換えられる可能性があることが示されました。 HFPH スキャフォールドは、体外で真皮組織を構築するために使用できます。

図 5 HFPH スキャフォールドが in vitro で真皮組織を構築 HFPH スキャフォールドの in vivo 生体適合性を評価するために、HFPH スキャフォールドをラットの背中の皮下ポケットに移植して実験を行いました。実験結果では明らかな全身的損傷は見られず、生体内での生体適合性が良好であることが示されました（図 6）。 HFPHスキャフォールドが生体内で組織欠損を修復する能力を検証するために、ラットの前脛骨筋を部分的に除去してラットの筋肉欠損モデルを構築した（図6j-k）。結果は、HFPH スキャフォールドの移植後 14 日で、ラットの脚の振り幅が 50° であり、これは負傷していない通常のラットの振り幅 (60°) と同程度であり、従来のハイドロゲル印刷スキャフォールドを移植したラットの振り幅 (26°) よりも高いことを示しました。これは、HFPH スキャフォールドが組織欠損の修復において独自の利点を持つことを示しています。

図6 HFPHスキャフォールドの生体適合性と筋肉欠損修復
2. 全文の要約<br /> アルカンを介した結晶変換は、冷却中のエネルギー消費を増加させることで、ゼラチンベースのハイドロゲルのゲル化を促進します。蜜蝋（アルカンとエステルの天然混合物）を加えると、ゼラチンキサンタンガムインクの印刷性が向上します。加熱後、架橋ハイドロゲルから蜜蝋が溶出され、生体適合性、忠実性、機械的強度に優れた、高度に相互接続された多孔質の足場が残りました。この足場は、筋肉に欠陥のあるラットの運動行動の回復において独自の利点を提供します。この独自の設計により、組織工学や再生医療における大型組織や臓器の高精度バイオファブリケーションにさまざまな可能性が開かれます。

要点:
（１）結晶変換３Ｄプリンティング技術によって構築された３Ｄ構造の忠実度は、既存の３Ｄプリンティング方法よりも優れている。相変化インクによって得られる高い忠実度と利便性により、構造的に複雑な組織類似体の印刷におけるバイオハイドロゲルの潜在能力が引き出されることが期待されます。

（２）相変化インクシステムは、様々なバイオハイドロゲルの3Dプリントに適しており、高忠実度3Dプリントに適した天然バイオインクの種類を拡大することになる。

（３）相変化インクシステムは、３Ｄプリントの忠実度を向上させると同時に、「一石二鳥」の方法で気孔を形成することができる。従来印刷された不一致の形状を持つバイオハイドロゲルと比較して、結晶相変化 3D 印刷法で構築された多孔質足場筋肉模倣物は、筋肉欠損ラットの組織機能回復を大幅に改善できます。

出典: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202415799

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