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3Dバイオプリンティングバイオインク選択ガイド

3Dバイオプリンティングとは?

3Dバイオプリンティングは、生体組織に似た複雑性を有する解剖学的形状の支持体を作製することで、精密に制御された3次元の細胞モデルや組織構造物を作り出すことを可能にする方法です。3Dバイオプリンティングでは構造や組成を高度に制御できるため、化粧品試験、創薬、再生医療、機能的臓器の置換といった医学研究において未だ満たされていない多くの重要なニーズを解決できる可能性があります1。人工多能性幹細胞(iPS細胞)や間葉系幹細胞をはじめとする患者由来の幹細胞を使用して、疾患の個別化モデルを作ることができます。目的とする組織構造体を得るために、多様な材料、方法、細胞を用途に応じて使用することができます(図1)。

組織および臓器の3Dバイオプリンティングの概要

図1組織および臓器の3Dバイオプリンティングの概要。バイオインクは、培養した細胞と多様な生体適合性材料を組み合わせて調製されます。このバイオインクを使用して、薬物スクリーニング、疾患モデル化、in vitroの臓器移植に向けた機能性組織構造体の3Dバイオプリンティングに使用されます。

バイオインクとは?

バイオインクは、生きた細胞および印刷後の細胞の接着、増殖、分化を支援する細胞外マトリックス環境を模倣した生体材料から構成されます。従来の3Dプリンティング材料とは対照的に、バイオインクには以下の性質が必要です:

  • 印刷温度が生理学的温度を超えないこと
  • 架橋またはゲル化の条件が温和であること
  • 生物活性を持つ成分に毒性がなく、印刷後に細胞による修飾が可能であること

材料押出法用バイオインク:細胞カプセル化ハイドロゲル

細胞カプセル化ハイドロゲルは、多細胞性バイオプリンティング構成材料を形成することで生きた組織構造を作製するために3Dバイオプリンティングで使用されます。細胞のカプセル化により、他の方法や材料と比較して、細胞接着や足場内の細胞および生体分子の空間分布を精密に制御することが可能になります1。 複数の細胞タイプおよび成長因子を所定のパターンで組み合わせることで、非常に複雑な組織構造体を得ることができます3。細胞のカプセル化に使用されるバイオプリンティング材料は、カプセル化細胞の栄養の受け取りや廃棄物除去のために、生体適合性だけでなく高い含水量と多孔性を有する必要があります1。ハイドロゲルは水で膨潤する多孔性ネットワークであるため、細胞のカプセル化、組織工学、3Dバイオプリンティング用材料として最適です。さらに、3Dバイオプリンティング向けハイドロゲルは、細胞が拡散、移動、増殖、相互作用できるように、支持体としての調節可能な剛性を有し、印刷後のネットワーク再構成が可能である必要もあります9。バイオインクには幅広い種類の材料が使用されていますが、特に、ゼラチンメタクリロイル(GelMA:gelatin methacrylol)、コラーゲン、ポリエチレングリコール(PEG)、プルロニック(Pluronic®)、アルギン酸、脱細胞化細胞外マトリックス(ECM:extracellular matrix)などがよく用いられています(表1)。

注目のバイオインク材料:ゼラチンメタクリロイル(GelMA)

ゼラチンメタクリロイル(GelMA:Gelatin Methacryloyl)は、組織工学および3Dプリンティング向け架橋性ハイドロゲルの形成に用いることができます。GelMAを使用したバイオインクには、優れた細胞適合性、調節可能な剛性、より高い印刷適合性、UVまたは可視光(光開始剤の特性に依存)による迅速な架橋形成、といった特長があります11。GelMAは、内皮細胞の形態形成、心筋細胞、表皮組織、注射可能な組織構造体、骨分化、軟骨再生に使用されています。また、ゼラチンメタクリロイルは薬物送達用のマイクロスフィアやハイドロゲルにも使用されています。

ゼラチンメタクリロイル

図2ゼラチンメタクリロイル

非細胞材料:足場材料およびポリマー

3Dバイオプリンティングで作製される構造には、非細胞材料(acellular material)も使用されます2。通常、非細胞材料は組織構造体を構造的に支持するために使用され、バイオインクと併用することで機能性を有するバイオプリンテッド組織が得られます。非細胞材料は、ネイティブの細胞外マトリックス(ECM)の機械的・生化学的性質を再現する多孔質構造です4。この多孔性により、これら組織構造体の内部で、細胞移動、組織成長、血管形成、細胞生存が可能になります6。さらに、非細胞材料表面は、細胞の付着、増殖、分化に適した化学的性質を持つ必要もあります5。広く使用されている非細胞材料には、コラーゲン、フィブリン、キトサン、ナノセルロース、ポリ乳酸(PLA:poly(lactic acid))、ポリカプロラクトン(PCL:polycaprolactone)、ヒドロキシアパタイト(HA:hydroxyapatite)、β-リン酸三カルシウム(β-TCP:tricalcium phosphate)などがあります(表1)。

Bioink Material Building Blocks

表13Dバイオプリンティングで一般的に使用される生体材料

3Dバイオプリンティングに用いられる印刷法

選択したインクの種類(バイオインクまたは非細胞材料)および最終的な組織構造体の複雑性に応じて、種々の3Dプリンティング法が使用されます(図1)。一般的な手法の長所および短所を以下の表に示します(表2)。

表23Dバイオプリンティング法

バイオプリンティングの方法は、インクの種類だけでなく、印刷した構造体の最終用途によっても決定されます(表3)。

Tissue Engineering Applications

表33Dバイオプリンティングによる組織構造体の作製

結論

3Dバイオプリンティングは、ある特定の3次元微小環境内において、細胞配置の空間的な制御を可能にします。細胞をさまざまな生体適合性材料と組み合わせることでバイオインクが調製され、特定の形状に印刷し、組織様3D構造が作製されます。材料科学と細胞生物学の融合によって、3Dバイオプリンティングのワークフローを簡略化するための多様なソリューションが提供されます。

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