バイオコンクリートバイオインクを使用したその場 3D バイオプリンティング

Nature Communications volume 13、記事番号: 3597 (2022) この記事を引用

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16 オルトメトリック

メトリクスの詳細

in-situ バイオプリンティングは、特に緊急時に負傷する可能性のある兵士、スポーツ選手、ドライバーなどの職業にとって、欠陥のある臓器に治療用バイオインクを直接堆積して修復できる点で魅力的です。 ただし、従来のバイオインクには、複雑な動作環境では明らかな限界があります。 ここでは、エレクトロスプレーされた細胞を含むミク​​ロゲルを凝集体として、ゼラチンメタクリロイル (GelMA) 前駆体溶液をセメントとして使用して、バイオコンクリート バイオインクを設計します。 光架橋されたミクロゲル凝集体の堅牢なレオロジー特性と GelMA セメントの流動性の恩恵を受け、幅広い温度範囲で有望な印刷適性が保証されます。 複合コンポーネントは、生体適合性とさまざまな組織機械的微環境に同時に自己適応します。 組織とヒドロゲルの界面での強力な結合は、セメントが光架橋される際の水素結合と摩擦によって達成されます。 携帯性に優れ、緊急の事故時にも簡単に準備できるバイオインクです。 一方、マイクロゲルは培養して小さな組織にし、その後バイオインク凝集体として混合することができ、これは当社のバイオコンクリートが通常のバイオインクよりも早く機能化できることを示しています。 頭蓋欠損修復の結果は、このバイオインクの優位性と、現場での治療に必要な臨床現場におけるその可能性を証明しています。

新たな臓器欠損の治療法として、Campbell によって最初に提案された「in-situ バイオプリンティング」1 が挙げられます。 クリニックでも注目を集めています。 簡単に言うと、治療用バイオインクは、外科用バイオプリンターによって患者の 3D 形態に応じた経路に沿って患者の創傷に直接塗布されます 3。 現在、同様の方法を主に in vitro バイオプリンティングに利用しており、皮膚、軟骨、骨の治療に応用されています4。 in vitro 3Dバイオプリンティングに基づく臓器移植と比較して、その場での堆積機能により多くの利点があります（補足注1）。

しかし、in-situ バイオプリンティングは初歩的なものであり、臨床応用には制限があります。 信頼性の高い in-situ バイオプリンターが存在しない 4 ことに加えて、主な理由の 1 つは、特別な要件を満たす適切なバイオインクが少ないことです。 既存の関連研究では、適用されるバイオインクは、in vitro バイオプリンティングにおけるバイオインク、つまり前駆体溶液とほぼ同様であり、in-situ バイオプリンティングには有望な選択肢ではありません。 (i) 現場バイオプリンティングのほとんどの場合、バイオインク、特に感熱性バイオインクのレオロジー特性を厳密に制御する条件はありません。 (ii) in-vitro バイオプリンターのきれいな表面と制御可能な温度を備えた受け取り基盤とは異なり、in-situ バイオプリンティングには特別な受け取り基盤、つまり一定の温度 (37 °C) に保たれた患者の創傷と血液があり、印刷された画像が崩壊する可能性があります。架橋前の構造。 (iii) 架橋バイオインクは、カプセル化された細胞が治療機能を発揮するために低い機械的弾性率を有する必要がある。 (iv) 構造物は欠陥に見合った高い機械的特性を備え、修復中の損傷から構造物自体を保護する必要がありますが、これは要件 (iii) との大きな矛盾につながります。 複合構造の構築、つまり強力な足場を印刷してから軟質ヒドロゲルを鋳造することは、効果的な解決策となっています5、6、7、8。 しかし、そのような複雑な印刷プロセスは、その場バイオプリンティングでは実現できません。 (v) 欠陥と印刷構造の界面に強い結合力が形成される必要がある。 (vi) 現場バイオインクは持ち運び可能であり、緊急時に負傷する可能性のある兵士、運動選手、運転手などの職業のために簡単に準備できるものでなければなりません。

マイクロゲルは、細胞療法 9、薬物放出制御 10、疾患モデリング 11 などで一般的なバイオプリンティング構造となっており、多くの製造方法が提案されています 12、13、14、15、16。 最近、独立した機能単位に加えて、Burdick らによる Nature Reviews に掲載されたミクロゲルに関するレビューで、 2020 年の時点では、将来のバイオインク成分としてのマイクロゲルの「二次バイオプリンティング」18、19、20、21 の幅広い応用が予測されています。 Algeらの最新の研究では、 2021 年に Science Advances に掲載された論文 22 では、印刷中のミクロゲルの消散プロセスに関する詳細な調査が発表されました。 王ら。 9 つのアルギン酸ミクロゲルを注入してラットの臓器欠損を修復しました。 バーディックら。 23,24 は集められたミクロゲルを押し出し、特定の 3D 構造を確立しました。 すべての研究は、ミクロゲルの有望な生体適合性だけでなく、一定の応力以下ではエラストマーとして表示されるが、応力がさらに増加するとニュートン流体として流れるビンガム流体 25、26、27 に似たミクロゲルの独特のレオロジー特性からも恩恵を受けました。 したがって、マイクロゲルベースのバイオインクは、複雑な要件に適応するまったく新しい臨床現場バイオプリンティング バイオインクとしてさらに設計される可能性があります。