バイオプリンティングとは何ですか？

生体組織、特に移植可能な臓器を作成するために3D印刷を使用するという概念について、マスコミには多くの関心が寄せられています。しかし、「バイオプリンティング」と呼ばれるこの新しいテクノロジーは実際にどのように機能するのでしょうか。

簡単に言うと、バイオプリンティングとは、プラスチックや金属の部品ではなく、3D印刷技術を使用して有機セル構造を生成する方法です。これにより、機能性組織を印刷することが可能になり、医学研究や移植目的で使用できるようになります。長期的には、技術が進化するにつれて、移植患者自身の細胞に基づいて機能的な臓器を印刷するために実際に使用され、臓器拒絶反応のリスクを排除できる可能性があります。

「従来の」3D印刷のように、バイオプリンティングは、印刷ベッド上に構造を層ごとに構築することによって機能します。ただし、このプロセスには金属やプラスチックではなく生体組織を使用するプロセスが含まれるため、さまざまな点で根本的に異なります。詳細を見てみましょう…

どのように機能しますか？

すべてのバイオプリンティングプロジェクトは、作成する必要のあるパーツの3Dモデルから始まります。これは、実際の身体部分のCTスキャンまたはMRIを介して生成することも、3Dモデリングを介して最初から作成することもできます。次に、モデルを正常にバイオプリントできる形式に変換する必要があります。つまり、組織のアーキテクチャを確立する必要があります。したがって、適切な細胞が分離され、（可能であれば元の組織から）特別な溶液に取り込まれます。これにより、細胞は生きて酸素を供給され、印刷の準備が整います。これらの印刷可能なソリューションは「バイオインク」として知られています。組織の再生には「足場」（細胞の成長に必要な物理的サポート）の使用が必要なため、バイオプリンティングプロジェクトでは通常、このようなインクがいくつか必要になり、マルチマテリアルプリンターが必要になります。これらの足場は、従来の3D印刷のサポート構造に対応するものと見なすことができます。

これらのバイオインクを生体組織に変換するために、多くの異なる技術を利用することができます。初期のバイオプリンティング技術はインクジェットスタイルのアプローチを利用していましたが（詳細は後で説明します）、ステレオリソグラフィーと押し出しベースのプリンターもうまく利用されています。使用するテクノロジーに関係なく、印刷プロセスはAMの専門家なら誰でも知っている必要があります。プリンターは、3Dモデル全体が実現するまで、選択した素材のレイヤーを印刷ベッドに積み上げます。

最後に、印刷が完了すると、組織の完全性を維持するために、いくつかの後処理が必要になります。これは、新しく印刷されたセルが、印刷されたプラスチックや金属の場合のようにすぐには接続されないためです。これには通常、組織のリモデリングと成長を引き起こす機械的または化学的シミュレーションが含まれます。このより洗練された例には、組織の成長と血管新生（つまり血管の発達）を促進するための「バイオリアクター」の使用が含まれます。

次のビデオは、バイオプリンティングプロセスの概要を示しています。

バイオプリンティングのパイオニアと業界リーダー

この方法で組織を印刷するために設計された3Dプリンターは、一般に「バイオプリンター」と呼ばれます。最初に機能したバイオプリンターは、富山大学の中村誠教授によって発表されました。彼は、血管に似た生物学的チューブを印刷することでその能力を披露しました。上記のように、これはインクジェットベースの印刷アプローチを利用しました（実際、最初のプロトタイプは修正されたエプソンプリンターに基づいていました！）。中村教授はその後、バイオプリンティングの潜在的な応用に関する研究を続けています。

Organovoは、バイオプリンティングの分野におけるもう1つのリーダーであり、パートナー企業であるInvetechと協力して、実行可能な商用バイオプリンターであるNovoGenMMXを提供してきました。組織を印刷するOrganovoのアプローチには、心臓細胞、内皮細胞、および足場として機能するコラーゲン「バイ​​オペーパー」用の個別の印刷ヘッドを備えた、特別に設計されたマルチヘッドプリンターが含まれます。

この技術は、負傷した兵士の治療にバイオプリンティングを使用できるかどうかの研究に投資した米軍の注目も集めています。軍再生医療研究所（AFIRM）は、この分野をリードするために2008年に設立され、大学、研究者、軍事科学者が協力協定の一環として協力しています。

ドイツでは、フラウンホーファー研究所が、移植目的と研究環境での動物実験の必要性を排除するために、臓器全体の印刷に関する継続的な研究を行っています。特に、彼らの研究者は、生体印刷された組織の血管新生においてかなりの進歩を遂げ、ArtiVasc 3Dプロジェクトと緊密に協力して、生体と同じ方法で組織に栄養を供給する3D印刷された血管を作成しました。

他の3D印刷技術と同様に、バイオプリンティングには、洗練されたバイオインクの開発に焦点を当てた独自の材料スペシャリストがすでにいます。たとえば、スウェーデンのCellinkは、バイオインクの包括的な範囲と、それらを利用するために必要なテクノロジーを提供することにより、この点で業界のリーダーとしての地位を急速に確立しました。

次は何ですか？

バイオプリンティングが提供できる潜在的なメリットは、他の新しいテクノロジーと同様に、確かに一般の人々の想像力をかきたてますが、成熟して定着するには時間がかかります。バイオプリンティングは、初期の積層造形業界が採用したものと同様の道をたどると予想されます。テクノロジーが「現実世界」の環境でますます採用されるにつれて、初期の成功は、テクノロジーが理想的なニッチを確立するのに役立ちます。その時点で、焦点は、パフォーマンスを最適化するプロセスと補完的なツールの確立に移ります。

その時点で、科学者、医師、および患者（およびバイオプリンティングがその潜在的な用途をまだ明らかにしていない他の業界）は、この技術の完全な利点を理解し始めるでしょう。そこへの旅は確かに長く複雑なものになるでしょうが、私たちは莫大な利益を期待しています。