3D バイオプリンティング技術の概要
21世紀に浸る3Dバイオプリンティング。アディティブ マニュファクチャリングによって人間の組織を印刷するというのは、驚くべきアイデアです。
これは、組織再生医学および組織工学医学における傑出した一歩であると言えます。
過去数十年にわたり、この技術は、人間の組織を模倣する機能的な組織構造を作成するために使用されてきました.
したがって、3D バイオプリンティングは、動物や人間による医薬品の臨床試験に関わる長いプロセスを終わらせる可能性があります。
さらに、組織拒絶のために失敗しやすい臓器移植中の臓器不足の解決策になる可能性があります.この突破口は、世界中の臓器提供の絶望的な状態を終わらせるでしょう. 3D バイオプリンティングについて知っておくべきことはすべてここにあります。
3D バイオプリンティングとは
アディティブ マニュファクチャリングは、臓器工学への応用を拡大しました。このプロセスには、器官または組織を層状に (1 つの層または別の層で) 構築することが含まれます。 3D プリントのボトムアップ アプローチを利用しています。
層ごとのアプローチにより、一次細胞、バイオニック、およびその他の材料を、典型的な細胞構造を模倣した特定の方法で堆積させることができます。
したがって、このプロセスは、複雑な自然組織の正常な機能と構造を備えた合成組織または臓器につながります。
3 次元バイオプリンティングでは、生体分子と細胞を基板上に印刷して、必要な 3D フォームとして構築物をまとめる特定のパターンを形成します。 3D バイオプリンティングでは、生きたヒト幹細胞や組織などが使用されることに注意してください。
したがって、生体組織に関連するモダリティに従わなければなりません。これらのモダリティには、細胞と材料の生体適合性、印刷材料と方法に対する細胞の感受性、灌流、成長因子の送達が含まれます。
バイオ プリント組織が前臨床試験で動物や人間に取って代わる可能性がある理由
バイオプリンティングのプロセスは自動化されています。したがって、この自動化により、正確な細胞パターンと制御された細胞外コミュニケーションと組織化が保証されます。
また、生合成された組織の層ごとの製造により、印刷された組織に相互接続された孔があることが保証されます.
したがって、細胞間および細胞内のコミュニケーションを改善したバイオプリントされた組織または器官は、in vivo のヒト生理学にとって理想的です。
動物組織は人間の病態生理学的反応を十分に予測できない可能性があるため、前臨床試験で得られたデータに役立つため、この機能は人工組織をより良くします.
3D バイオプリンティングの仕組み
人体では、組織が損傷を受け、日々変性しています。しかし、あなたの組織再生能力は、事故や心臓病などの頻繁な外傷に対処するには十分ではないかもしれません.
時間の経過とともに、そのような状態の治療は組織または臓器移植に依存します。したがって、プロセス全体で免疫応答または移植片拒絶のリスクが生じます。
この 2 つの問題を解決するには、3D プリントが役に立ちます。
なんで？臓器が必要なため、3D バイオプリンティングによる再生医療の目標は、幹細胞に必要な臓器や組織を提供することです。そうすれば、これらの自己免疫反応を引き寄せない完璧な組織を手に入れることができます.
3D バイオプリンティングの概念には、組織や臓器を合成するための材料科学の原則と人間の生物学が含まれます。
したがって、主な焦点は、肝硬変や心不全などの損傷した臓器や組織の回復です.したがって、このアイデアは、組織再生につながる幹細胞分化につながる、組織本来の生物学的複雑さをエミュレートすることを中心に展開しています。
通常の寄付ではなく 3D バイオプリンティングを使用する理由
通常の提供では、組織または臓器の拒絶反応につながるプロセスは、とりわけ細胞形成および接続間期に起因します。血管内皮増殖因子などの増殖因子の影響を受けます。
このプロセスはややランダムであり、細胞外マトリックスまたは細胞のカスタマイズされた分布を許可しません。さらに、効率が悪く、時間がかかります。経済的およびロジスティクスの観点から、この欠点により、移植片の臨床応用が実現不可能になります。
このように、積層造形は、3D バイオプリンティングにおけるトップダウン アプローチを通じて組織工学を探求するのに役立ちます。
このアプローチは、コンピュータ支援設計を使用して解剖学的に正確な正確な幾何学的形状を生成するのに役立つ物質の堆積において制御された性質を持っています.
三次元バイオプリンティングの目的は何ですか?
Allevi 3D プリンターによると、120,000 人以上の米国市民が臓器提供を必要としています。
他の無数の患者は、移植後の免疫抑制やその他の長期的な損傷のために、慢性的およびその他の末期の健康状態に苦しんでいます.
したがって、圧力が高まり、臓器移植の代替手段が必要になります。アディティブ マニュファクチャリングは、科学界と医学界が学際的な研究者、エンジニア、医師を構成して、人間の健康に関連する課題に立ち向かうのに役立っています。
三次元バイオプリンティングは、臓器や組織の移植待機リストをなくすことを約束するツールです。また、医薬品開発において、バイオプリンティングは、動物や人間に生物学的に関連する医薬品の臨床試験をより迅速かつ低コストで実施する方法を提供します。
たとえば、このデバイスは、外科医が静脈を結合するのに役立ち、合併症を減らします。 3 次元印刷は、より簡単な薬物送達システムの提供にも役立ちます。
驚くべきことに、3D バイオプリンティングのさらなる進化により、骨組織工学と皮膚組織、心臓組織、臓器パッチ、または患者の幹細胞を使用した完全な臓器置換が可能になります。
3D プリンティングの目標は、医師や研究者により良い結果をもたらす標的治療のための優れたツールを提供することです。
3D バイオプリンティングが発明されたのはいつですか?
この質問は、ドット マトリックス プリンターが発見された 1900 年代初頭にさかのぼります。
チャールズ ホールによるデータから有形のオブジェクトを印刷できる 3 次元プリンターは、すべての愛好家やエンジニアが組織や建物などのさまざまなオブジェクトを印刷するための基礎を形成しました。
しかし、3 次元バイオプリンティングは 2000 年に誰かが患者の特性にほぼ一致する人工装具とインプラントを作成したときに始まりました。医療分野では、3D プリントと解剖学的モデリングの非生物学的使用が採用されています。
2003 年、Thomas Boland は、生体適合性物質のバイオインクを使用して生体組織を印刷する最初の 3 次元バイオプリンターを作成しました。 2003 年のブレークスルーに続いて、2006 年にはラボ製の最初のヒト膀胱の移植が成功し、2009 年には最初の血管のバイオプリンティングが行われました。
3D バイオプリンティングの手順
三次元バイオプリンティング戦略は、材料の正確な層化を中心に展開します。バイオプリンティング プロセスには、準備、印刷、および処理後の段階が含まれます。
準備段階では、コンピュータ グラフィックスを使用して 3D モデルを設計します。これらのモデルは解剖学的に正確でなければなりません。
使用するバイオインクも選択します。この選択は、必要な筋肉組織または構造を決定することを意味し、哺乳類細胞、内皮細胞、または必要なその他の細胞タイプを含む適切な材料を選択します.
2 番目のステップでは添加材料を選択し、最後のステップでは製造された構造を成熟させます。
バイオプリンティングの技術
足場なしまたは足場ベースのバイオプリンティングを実行できます。足場ベースのモード; マトリックスは、製造プロセスで使用される層で構成されます。この生体材料マトリックスは、バイオインクをパターン化します。したがって、細胞を含んだハイドロゲル、フィルム、またはナノファイバーを使用できます。
注意:結果の生物学的構築物は、典型的な細胞外マトリックス環境を厳密に模倣する必要があります。この側面により、生物学的構築物の細胞が増加し、成長することができます.
足場のないバイオプリンティングでは、組織や細胞の凝集体をスフェロイド、円柱、ハニカムなどとして堆積させる必要があります。2 番目のプロセスでは、組織スフェロイドをピペットに入れ、ピペットを押し出しによって 3D バイオプリンター型の限られたスペースに堆積させます。
次に、細胞は細胞マトリックスを形成し、組織の成熟につながります。
3D バイオプリンティングの欠点は何ですか?
連続インクジェット バイオプリンティングにおける汚染のリスク:基板内でたわまないバイオ インクは、プリンターに再循環します。再循環は汚染につながる可能性があります。
不適切なソフトウェアのようなバイオプリンティング コンポーネントの欠如は、生体分子、生体材料、および細胞配置を定義できます。この欠如は、3D バイオプリンティング操作を妨げます。
足場の変形では、機械的および構造的なサポートを提供しないと、新しく形成された組織が機能しなくなる可能性があります。したがって、安定した 3D 構造を製造する必要があります。
バイオプリンティングには何種類ありますか?
細胞外マトリックスの製造と選択的パターニングのためのいくつかの三次元印刷技術があります。それらには以下が含まれます:
- インクジェット印刷
- 押し出し印刷
- レーザーを利用したバイオプリンティング
- ステレオリソグラフィによるバイオプリンティング
インクジェットベースの三次元バイオプリンティング
インクジェット バイオプリンティングは、バイオ ペーパーにバイオ インクと生細胞を使用します。バイオインクは粘度の低い生体材料懸濁液ですが、バイオペーパーはポリマー構造体、培養皿、ハイドロゲル基板などの生体材料です。
この手法は 2 つの方法で実行できます。最初の方法は、連続インクジェット印刷です。ここでは、バイオインクに圧力をかけると、液滴の連続的な流れが作成されます。圧力によってインクが押し出されます。
次に、バイオインクの流れを基材に偏向させる電場を適用します。ガターは、ストリーム内で整列しない余分なドロップを再利用のために収集します。
2 つ目は、ドロップ オン デマンドのインクジェット バイオプリンティングです。アクションは、オンデマンドで液滴を生成することを除いて、連続インクジェット印刷に似ています。したがって、継続的に圧力をかけるのではなく、脈圧を加えます。
レーザー転送転送
レーザー誘起順転写は、レーザービームを利用してバイオインクを基板に堆積させます。この方法は、3 次元印刷用の非接触書き込みプロセスを提供します。
この方法では、レーザー ソース (パルス)、バイオ インクでコーティングされたリボン、およびレシピエント基板を含む 3 つの重要な要素があります。ナノ秒パルスの UV レーザーをエネルギー源として使用できます。
当初、LIFT は高エネルギー レーザー パルスを使用して、透明基板上に直接蒸着することで金属の特徴を落書きしていました。この技術は AFA-LIFT として拡張されます。
バイオプリンティングのための吸収フィルム支援 (LIFT)
ここでは、バイオインクとリボンの界面に金属レーザー吸収層を含めます。この層は犠牲層として機能し、細胞がレーザーにさらされるのを防ぎます。
この手法では、細胞を細胞外マトリックスに直接印刷できます。また、印刷プロセスでカプセル化されたピースとして印刷することもできます。
押出ベースのバイオプリンティング
押し出しバイオプリンティングは、圧力アシスト バイオプリンティングと直接インク書き込みの 2 つの方法で行われます。 DIW は、3 次元バイオプリンターが層ごとの 3D アーキテクチャを生成する材料を押し出す空気圧押し出しプロセスを必要とします。
圧力アシスト印刷では、装置の降伏応力よりも高い応力を加えることで流れを誘発します。したがって、せん断応力が解放され、バイオインクは基材に塗布した後に剛性を取り戻します。
SLA 3D バイオプリンティング
SLA バイオプリンティングは、生体適合性材料の複雑さではなく高さに依存します。
この技術は、材料を追加して光を投影することにより、複雑な組織をレイヤーごとに構築します。熱硬化性で感光性のバイオインクに光を投影します。
技術は架橋剤として光を取るため、感光性はここでの生体材料の要件です。したがって、PEG 誘導体などの光硬化性部分を含める必要があります。
医療分野では、人工装具の診断を改善するために MRI や CT スキャンなどの画像技術に SLA バイオプリンティングを取り入れています。
セクターはまた、複雑な手術を達成するためにそれを使用しています。 SLA バイオプリンティングには、多光子印刷と単一光子印刷の 2 つのカテゴリがあります。
3D バイオプリンティングの恩恵を受けるのは誰ですか?
臓器および組織のバイオプリンティングには、さらに何年もの研究が必要であることに注意してください。しかし、このツールが主にさまざまな患者に利益をもたらすのは誰かを予測することはできます。バイオプリンティングが適用可能な分野のリストは次のとおりです。
- 皮膚組織のバイオプリンティング
- 骨組織のバイオプリンティング
- 軟骨組織バイオプリンティング
- 心臓組織のバイオプリンティング
組織や臓器の 3D バイオプリンティングとは
皮膚組織バイオプリンティング
人間の皮膚は、皮脂腺、汗腺、髪、爪などの付属構造と複雑です。また、さまざまな種類の細胞と神経終末があります。コラーゲン組織は、肌の弾力性を担っています。
3D バイオプリンティングでは、人間の皮膚を印刷できます。これには、4 つのステップですべての特性を作成することにより、必要な機械的特性を与える必要があります。最初の段階は準備段階で、生検から皮膚幹細胞を取得し、それらを培養で拡張してバイオインクを作成します。
2 番目のステップは実際の印刷であり、その後、細胞が増加して成熟する後処理が続きます。
最後に、皮膚組織の機能を特徴付けて評価します。したがって、皮膚組織のバイオプリンティングは、皮膚がんや皮膚疾患、火傷、皮膚の老化やしわに悩む人々にとって大いに役立つでしょう.
心臓組織バイオプリンティング
心血管障害は、多くの人々の死亡原因となり続けています。一般的な心臓の状態には、心停止、心筋梗塞、心不全、狭心症、心筋症などがあります。さらに、動脈と静脈は狭窄などの慢性状態を示しています。
悲しいことに、心筋細胞は自己再生または修復プロセスを欠いているため、かけがえのないものです。彼らの絶え間ない死は、心筋症のリスクを高めるコラーゲン組織の成長を増加させます.このような状態では、心臓ドナーを獲得するのは困難です。
しかし、3D バイオプリンティングにより、これらの健康状態は管理可能になります。心臓組織のバイオプリンティングは、心筋が複雑であるため、特に自己律動的な性質を達成することが困難です。
軟骨組織バイオプリンティング
軟骨は、骨の端を覆う滑らかな白い組織です。これは、プロテオグリカン、コラーゲン、タンパク質からなる複雑な構造です。
その際立った特徴は、軟骨組織が無血管であり、神経系やリンパ系も軟骨組織に到達しないことです.
したがって、継続的に怪我をしたり外傷を引き起こしたりすると、変形性関節症や機能障害に至る可能性があります.組織工学は現在、軟骨組織バイオプリンティングでポリエチレンと軟骨細胞を堆積させることにより、これらの生物学的因子を分散させることを検討しています.
骨組織バイオプリンティング
骨組織は高度に血管化された構造的に複雑な組織です。骨の変性や骨折は、骨組織の機能不全や慢性的な骨の欠陥につながる怪我や外傷を引き起こす可能性があります.
これらの機能障害や欠陥は、損傷した骨組織の回復を助けることができる骨再生を必要とします.
骨組織工学はハイドロゲルを利用しています。 しかし、ハイドロゲルは石灰化した骨基質を形成することができません.
したがって、骨組織のバイオプリンティングは、制御可能な化学的性質と組織の完全性の形状維持において、より良い結果を約束します.
バイオプリンティングに使用できる材料は?
インクは、指定されたパターンにインクを付着させるのに役立つ、目的の生化学的特性を備えている必要があります。なぜですか?
バイオインクは、細胞外マトリックスの相互作用と細胞の増殖と成長を促進するためです。また、インクは目的の組織の形態をサポートするために生体適合性がなければなりません。
心臓および皮膚組織のバイオプリンティングには、同様のバイオインクが必要です。 コラーゲン、ゼラチン、アルギン酸、ヒアルロン酸などの天然ポリマーを選択できます。
合成ポリマーを好む場合は、ポリ乳酸-co-グリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリエチレングリコールを選択できます。さらに、合成と天然の生体材料のブレンドを選択できます。
骨組織バイオインクを選択する際は、細胞の特殊化、機能性、および細胞適合性を考慮してください。
ゼラチン、ヒドロキシアパタイトを使用できます。準備段階のゼラチンと、印刷された組織構造が自然な骨組織を模倣するのを助けるハイドロキシアパタイト。
まとめ
3D バイオプリンティングは、私たちが知っている医療に革命を起こすことを約束するツールです。心臓組織工学から印刷された骨組織構造まで、3D 印刷は人間の健康における大きな課題に立ち向かうのに役立ちます。
結論として、心臓軟部組織、血管、軟骨組織などにおけるこれらの組織工学アプリケーションは、寄付の待機リストに対処し、健康を改善するのに役立ちます.
私たちは、従来の細胞生物学から三次元の組織や器官を用いた高度な医療へとすぐに移行することを期待しています.
3Dプリント