3D バイオプリンティングの説明:定義、歴史、メカニズム、キーの種類

3D バイオプリンティングは初期段階のテクノロジーのグループです。これらの研究分野では、患者インプラントまたは研究ツールとして、実際の組織をシミュレート、刺激、または複製する機能インプラントおよびテストデバイスの印刷における生物学的材料の使用を調査します。これらのテクノロジーは非常に初期段階にありますが、劇的かつ広範囲に影響を与える医療介入のパラダイムシフトの可能性を示しています。

この記事では、3D バイオプリンティングとは何ですか? について説明します。 、その歴史、仕組み、種類について説明します。

3D バイオプリンティングとは何を意味しますか?

3D バイオプリンティングは、積層造形における生物学的および生体機能性材料の使用です。これらの生体材料から作られた 3D 構造を作成するには、高度に専門的なプリンターが使用されます。例としては、生細胞、生物活性フレームワークまたは足場材料、生体分子などがあります。このプロセスでは、一般的な 3D プリント法を使用して生物学的材料を層状に堆積させ、その結果、さまざまな医療目的のための生物学的模倣、フレームワーク、および代替構造が得られます。

この 3D バイオプリンティングの目的は、高機能で複雑な組織構造、そして最終的には臓器を製造することです。これらは、患者への移植、薬物検査、病理モデリングなどの医療目的に使用されます。このテクノロジーは現在、かなり原始的なレベルで運用されています。しかし、機能する組織という点では、研究の進歩により、複製される自然の組織と機能的に類似した (またはそれ以上の) 臓器のカスタム製造が可能になり、医療に革命が起こることが示唆されています。

3D バイオプリンティングはいつ始まりましたか?

3D バイオプリンティングをもたらした技術と研究が、突然患者のソリューションに浸透した瞬間はありません。ただし、このテクノロジーの基礎を定義する上で、いくつかの重要な出来事が際立っています。ガボール・フォルガックスは、細胞が「新しい」空間構造に組織化され、その構造が結合して無期限に保持されることを観察しました。この理解は、生物学的構造が形状を保持するように誘導できることを教えたため、後に生物学的構造の 3D 構築の鍵となりました。

生体適合性材料は、2000 年頃に再生医療ソリューションに使用され始めました。これは、ウェイク フォレスト大学で開発された空間足場の構築に直接つながりました。培養した患者細胞を足場に定着させ、拒絶反応や免疫抑制剤を使用せずに移植しました。これらは長期安定であることが証明されました。 2002年にランダース社によりバイオ押出技術が報告され、「3D-バイオプロッター」として商品化されました。ウィルソンとボーランドは、2003 年に改造した HP インクジェット プリンタをバイオプリンタとして使用し、その後 2004 年に足場を構築する市販の SLA プリンタを使用した細胞搭載バイオプリンティングを開発しました。

3D バイオプリンティングはどのように機能しますか?

3D バイオプリンティングのプロセスは通常、次のステップで構成されます。

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プリントする組織や臓器の 3D デザインを作成します。 Allevi 3D の BioPrint Pro などのツールは急速に開発されています。

理想的なバイオインクを選択してください。 3D プリントで使用される材料には、生体適合性の光硬化樹脂にタンパク質や成長因子などの材料が含まれています。これらは既製の材料であり、不適切な SLA バイオプリンター機器を印刷する準備ができています。印刷する前に、臓器を「成長」させるために刺激される患者の培養細胞を注入する必要があります。

バイオプリンターは設計どおりにモデルを構築し、標準のスライサー ソフトウェアで処理します。バイオインクは、押出成形、インクジェット、SLA 印刷などのさまざまな製造方法に合わせて配合されています。堆積されたバイオインクは融合して多孔質構造を形成し、細胞成熟の準備が整います。

印刷された構造は、特定のバイオインク タイプに適したさまざまなプロセスによって、より安定した架橋された形状に硬化されます。

架橋後、印刷された材料はバイオリアクター内でインキュベートされます。印刷された組織や臓器は、その発達を最適化するために、このプロセスでは生き物として扱われます。

詳細については、3D プリンターの仕組みに関するガイドを参照してください。

3D バイオプリンティングの重要性は何ですか?

患者ケア、医薬品開発、研究のあらゆる分野でバイオプリンティングの使用が増加しているのは、ますます強力なツールキットの開発の結果です。これは、完全に代替される組織および臓器の製造となる可能性が高いものの初期段階です。外科的インプラント用に新しい臓器をカスタム構築できる機能は、医療分野全体に革命を起こそうとしています。これにより、拒絶反応のリスクがほとんど、またはまったくない、新しく完璧な「本物の」移植を行うために誘導された患者の組織による患者の治療が可能になります。図 1 は、バイオプリントされた臓器の例です。

3D バイオプリント臓器。

画像クレジット:Shutterstock.com/guteksk7

3D バイオプリンティングの目的は何ですか?

バイオプリンティングは、培養して培養して代替臓器となることができる、すぐに培養可能な患者細胞が充填された足場を提供するプロセスです。これは、患者の免疫系が「自己」として認識する移植可能な組織や臓器を患者に提供するための、かけがえのない重要なステップです。 

3D バイオプリンティングにはどのような種類がありますか?

バイオプリンティングは 3 つの異なる方向から発展してきましたが、それぞれに困難と利点があります。

1.インクジェットベースのバイオプリンティング

インクジェット ベースのバイオプリンティングでは、特別に改良されたインクジェット プリンティングを使用して、生きた細胞と生体材料をステレオリソグラフィー 3D 構造上に配置し、組織や器官などの生物学的構造を構築します。プリントヘッドは患者の細胞と生物学的支持媒体を含むバイオインクを吐出し、前の層上に構築された 3D デザインの各スライスの「画像」を配信します。これらのバイオインクには、各層を統合して下の層に結合する UV 硬化または熱硬化要素が含まれています。この方法により、設計どおりの組織が 3D 構造にレイアウトされ、成熟するまで培養できます。

インクジェットベースのバイオプリンティングは高解像度、高速であり、1 つのプリントで複数の細胞タイプまたは生体材料を適用するのに適しています。まだ主流には程遠いですが、この技術は再生医療やインプラント医療のための組織工学、また薬物試験において重要な実験手法です。

2.圧力支援バイオプリンティング

圧力支援バイオプリンティングでは、空気圧または油圧駆動でバイオインクの微細な液滴を造形プラットフォーム上に供給します。これにより、層ごとのプロセスで設計どおりに組織が構築されます。バイオインク層が堆積されると、紫外線への曝露または温度変化によって硬化します。このプロセスは、患者（または研究検査）の準備が整った組織を成熟させるためにインキュベートできる統合構造を作成するのに役立ちます。このプロセスは、他の方法よりも多くの点で簡単です。混合セルの配置が可能になり、実際の組織をより忠実に模倣できます。押し出し液滴ベースであるため、解像度は低くなります。多くの場合、これは、強力な組織構築方法にとっては小さな欠点となります。

3.レーザー支援バイオプリンティング

レーザー支援バイオプリンティングでは、レーザーを使用して生きた細胞や生体材料をビルド プラットフォーム上に転写し、正確に堆積させます。組織や器官など、目的の 3D 生物学的構造を作成します。レーザー ビームは、バイオ インクが充填された転写テープ上の基板材料を蒸発させます。これにより、基板がフラッシュ蒸発し、バイオ インクがビルド上に噴射されます。これにより、バイオ インクの正確な液滴が層ごとにビルド上に堆積され、目的の 3D 構造が作成されます。これはバブル ジェット プリンティングの厳密なシミュレーションです。

レーザーベースのバイオプリンティングには、細胞配置の高精度制御、高解像度での印刷機能、より複雑な組成を含むさまざまな生体材料の使用機能など、他の 3D プリンティング技術に比べてさまざまな利点があります。過剰なレーザー出力は細胞の損傷を引き起こす可能性があり、この技術は高い細胞密度を実現するための設備が不十分です。

3D バイオプリンティングのさまざまなアプローチとは何ですか?

さまざまな 3D バイオプリンティングのアプローチを以下に示します。

1.生体模倣

バイオミミクリは、天然の組織プロセスと材料を使用して、構造的および機能的なバイオプリンティングの問題を解決します。バイオミミクリは、非常に類似した生体組織や器官を生産するためのより効果的な方法を生み出すことができます。天然の細胞外マトリックス (ECM) 材料を使用して組織工学用の足場を作成することは、生体模倣の 1 つの形式です。 ECM は細胞に構造的なサポートを提供します。コラーゲンやヒアルロン酸などの天然 ECM 素材を使用すると、印刷された組織の構造的完全性と機能性を向上させることができます。

硬さ、弾性、細胞接着などの自然組織の特性を模倣する非天然材料を含むバイオインクを使用すると、より機能的なプリント組織を作成するのに役立ちます。研究者の中には、印刷された生物学的構造に複雑でより自然に特有な特性を作り出すために、クモが巣を張る方法を模倣する 3D 印刷方法を研究している人もいます。

2.自律的な自己集合

自律的自己組織化は、直接的な操作や配置を必要とせずに、細胞が自己組織化して必要な構造を形成できるようにすることを目指しています。このアプローチは、組織の通常の成長において細胞が自然に集合する方法を模倣することを目指しています。患者の細胞は、必要な形状に成形できるゲル素材を含むバイオインクと混合されます。次に、細胞とバイオインクをインキュベートして、自己組織化を可能にします。これにより、より自然に近い組織または器官構造が形成されます。このアプローチは、細胞を所定のパターンで正確に配置して構造を作成する従来のバイオプリンティング方法とは異なります。

自律的自己組織化バイオプリンティングは、反復的に達成でき、予測可能に行うことができれば、従来のバイオプリンティングに比べて大きな利点があります。たとえば、発生形態形成プロセスを活用することで、より複雑で現実的な組織構造の作成が可能になります。外部操作の必要性がなくなることで、バイオプリンティングの障壁となる細胞の損傷が軽減されます。

研究者たちは、より自然でより高機能な結果をもたらすために、自然かつ固有の自己集合プロセスを導く新しい材料と技術を開発しています。これは、組織工学と再生医療に新たな革命をもたらす可能性があるため、おそらくバイオプリンティング研究の最も重要な分野です。

3.ミニティッシュ

ミニ組織 (または微小組織) は、限定された三次元細胞構造です。これらは創薬、毒性試験、組織工学で使用されており、特に患者へのインプラントとしては使用されていません。これらは一般的に使用される方法、つまり生きた細胞を混ぜた通常のバイオインクで印刷されます。ミニ組織の作成には、他の方法で使用される従来の 2D ペトリ皿細胞培養に比べて利点があります。天然組織の複雑さをより厳密に模倣することで、薬物検査や毒性スクリーニングにおいてより現実的な結果が得られます。研究者らは、小さな構成要素を印刷することで、患者のインプラントとして使用できる可能性のある、より大きな組織や器官を組み立てることを期待しています。

3D バイオプリンティング プロセスの手順は何ですか?

バイオプリンティングは、あらゆる点で厳密さと高度な管理が必要なプロセスです。代替技術や材料が常に開発されているため、以下の各ステップは熱心に研究されている分野です。

1.プレバイオプリンティング

バイオプリンティング前のプロセスはさまざまなステップで構成されており、そのすべてが正確に行われている必要があります。結果が有用な組織構造である場合、ばらつきや誤差のマージンは最小限に抑えられます。最初のステップは、目的の構造を概念化して指定することです。これにより、組織の形状、サイズ、一般的な物理的特性、および使用される細胞および支持体/栄養材料の種類が定義されます。構造の輪郭が定義されたら、専門の CAD ツールを使用して構造の非常に詳細な 3D モデルを作成します。次に、成長する組織に適した構造、硬化、栄養素の混合物を含む、適切なバイオインクが選択または作成されます。 in vitro での細胞の選択と培養は、細胞の生存率と十分性を確保するために、厳密に制御された条件下で培地中で細胞を培養して再生を促進する最もデリケートなステップです。

2.バイオプリンティング

バイオプリンティングは、基礎作業を行って必要な組織サンプルを構築する最終実現ステップです。これはインキュベーションの準備ができており、薬物評価、毒性試験、または患者への移植などの計画された用途に使用することができます。組織サンプルは、光造形法または計画に組み込まれた自己組織化によって構築されます。

3.ポストバイオプリンティング

バイオプリンティングの後は、構築された組織の機能と生存性を確保するためのさまざまな重要な処理ステップがあります。まず、印刷されたマトリックス材料を架橋して、堅牢で安定した構造を作成する必要があります。 UV硬化、熱処理、薬剤の外用など、さまざまな方法が利用可能です。その後、成熟/インキュベーションにより細胞が分裂して分化します。これを進めるには、厳密に制御された環境条件が必要です。成熟中、および成熟後も細胞の生存率が評価され、細胞が意図した機能を確実に実行していることが確認されます。成熟後、構築された組織はその物理的、生物学的、生化学的性質を決定するために特徴付けられます。このプロセスでは、組織学や免疫組織化学などの技術を使用して組織の挙動を評価します。最後に、バイオプリントされた組織がテストされ、期待どおりに機能するかどうかが確認されます。特定の組織タイプに適した幅広い検査が利用可能です。

3D バイオプリンティングの用途は何ですか?

バイオプリンティングのアプリケーションのリストは増え続けていますが、現時点でバイオプリンティングが提供する主な機能は以下のとおりです。

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薬の性能と副作用の評価

毒物学検査

患者へのインプラント

3D バイオプリンティングの利点は何ですか?

バイオプリンティングは、患者の医療、医薬品開発、環境、毒性試験のほとんどの分野にわたって、ますます強力な機能を可能にする一連の強力な技術です。その利点の一部を以下に示します。

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複雑な組織構造を正確に構築できるようになります。

薬物検査用の臓器の 3D モデルの作成に使用できます。これにより、医薬品製剤の試験をより迅速に、倫理的制限を少なくすることが可能になります。

動物実験の必要性を減らす

特定の患者のニーズに合わせてカスタマイズしたインプラントを作成できる

移植用の生きた組織や臓器を構築できますが、この能力はまだ単純な構造に限定されています。これらは患者の細胞から構築されるため、拒絶反応は最小限であることが示されています。

3D バイオプリンティングの制限とは何ですか?

バイオプリンティングには深刻な制限があり、以下のような広範な研究が行われています。

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現在、さまざまな種類の細胞、血管、神経を含む複雑な組織や臓器を印刷することはできません。

バイオプリンティング材料は高価であり、製造が困難です。

印刷プロセスの仕組みにより、セルが損傷または破壊されることがよくあります。これにより、印刷された組織の生存率が制限されます。

依然として高価で、集中的に研究室ベースのテクノロジーです。高価な機器を使用し、並外れたスキルが必要です。

まだ、標準や広く受け入れられているガイドラインはありません。手法と研究グループ間の結果の評価は困難です。

3D バイオプリンティングは医療業界のイノベーションをどのように推進しますか?

バイオプリンティングは、幅広い変性疾患や生理学的状態に対する主要な再生手術ツールになる予定です。患者の損傷した心臓に代わる新しい機能的な心臓を印刷することはまだ遠い見通しですが、初期の構築要素は整っています。現在、バイオプリンティングにより、医薬品の評価と認証のサイクルが短縮され、コストが削減されています。これにより、新規医薬品の市場参入の障壁が軽減されます。

バイオプリンティングとはどのようなタイプの 3D プリンティングですか?

バイオプリンティングは通常、ステレオリソグラフィー法に基づいており、3D ファイルから層ごとに組織を構築します。次の革命は、少なくとも細胞の分布と位置決めにおいて、これをより自己組織化に向けて進める可能性があります。

詳細については、8 種類の 3D プリント プロセスに関する完全ガイドをご覧ください。

3D プリントと 3D バイオプリンティングは同じですか?

いいえ、3D プリンティングと 3D バイオプリンティングは同じではありませんが、似ている部分もあります。バイオプリンティングで使用されるツールの一部は、ラピッド プロトタイピング分野のツールと互換性があります。しかし、この 2 つのセクター間の乖離は明らかであり、今後急速に拡大することが予想されます。研究者がより複雑で高機能な成果を生み出すことを目指しているため、バイオプリンティングはラピッドプロトタイピング分野の複雑さの限界を急速に超えています。

概要

この記事では、3D バイオプリンティングについて紹介し、説明し、そのさまざまな種類と用途について説明しました。他の業界での 3D プリントの詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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