3Dバイオプリンティング

3次元（3D）バイオプリンティングは、 3Dプリンティングのような技術を使用して、細胞、成長因子、バイオインク、生体材料を組み合わせて機能構造を作製することです。これらは従来、組織工学アプリケーションに使用されていましたが、最近ではバイオセンシングや環​​境修復などの他のアプリケーションでも関心が高まっています。^{[1] [2] [3]一般に、3Dバイオプリンティングでは、}バイオインクと呼ばれる材料を層ごとに堆積させる方法を使用して、後でさまざまな医療および組織工学分野で使用される組織のような構造を作成します。^{[4] [5] [6]} 3Dバイオプリンティングは、広範囲のバイオプリンティング技術と生体材料をカバーしています。現在、バイオプリンティングは、薬物や潜在的な治療法の研究に役立てるために、組織や臓器のモデルを印刷するために使用できます。^[7]ただし、バイオプリントされた生きた細胞構造を臨床応用することは、機能的な臓器を作成するために必要な複雑さと細胞数のために、いくつかの問題に直面しています。^[8]しかし、革新は細胞外マトリックスのバイオプリンティングから、細胞とハイドロゲルを層ごとに堆積させて混合し、目的の組織を生成することにまで及びます。^[9]さらに、3Dバイオプリンティングでは、関節や靭帯の再生に使用できる足場の印刷も取り入れられ始めています。^[10]これらとは別に、3Dバイオプリンティングは最近、汚染物質の除去を促進する機能的な微生物を宿す機能的なバイオフィルムの製造など、環境修復アプリケーションにも使用されています。 ^[11]

3Dバイオプリンティングは、一般的にプレバイオプリンティング、バイオプリンティング、ポストバイオプリンティングの3つのステップに従います。^{[12] [13]}

プレバイオプリンティングは、プリンターが後で作成するモデルを作成し、使用する材料を選択するプロセスです。最初のステップの 1 つは、臓器の生検を行い、細胞をサンプリングすることです。バイオプリンティングに使用される一般的な技術は、コンピューター断層撮影(CT) と磁気共鳴画像(MRI) です。レイヤーごとのアプローチで印刷するには、画像に対して断層再構成を行います。次に、2D 画像をプリンターに送信して作成します。画像が作成されると、特定の細胞が分離され、増殖します。^[12]これらの細胞は、酸素やその他の栄養素を供給して細胞を生き続けさせる特殊な液化材料と混合されます。この細胞の集合には足場は必要なく、押し出しなどのプロセスのために管状の組織融合に配置するために必要です。^{[14] : 165}

2番目のステップでは、バイオインクと呼ばれる細胞、マトリックス、栄養素の液体混合物をプリンターカートリッジに入れ、患者の医療スキャンを使用して堆積させます。^[15]バイオプリントされたプレ組織がインキュベーターに移されると、この細胞ベースのプレ組織は組織に成熟します。

生物学的構造物を製造する 3D バイオプリンティングでは、通常、細胞を生体適合性の足場に層ごとに連続的に塗布し、組織のような 3 次元構造を生成します。^[16] 3D バイオプリンティングで作られた肝臓や腎臓などの人工臓器には、血管、尿を集めるための尿細管、これらの臓器に必要な数十億個の細胞の成長など、身体に影響を与える重要な要素が欠けていることがわかっています。これらのコンポーネントがなければ、身体は内部の奥深くまで必須の栄養素や酸素を取り込む方法がありません。^[16]身体のすべての組織は自然に異なる細胞タイプで構成されているため、これらの細胞を印刷するための多くの技術は、製造プロセス中に細胞の安定性と生存性を確保する能力が異なります。細胞の 3D バイオプリンティングに使用される方法には、フォトリソグラフィー、磁気 3D バイオプリンティング、ステレオリソグラフィー、直接細胞押し出しなどがあります。^{[14] : 196}

バイオプリンティング後のプロセスは、生物学的材料から安定した構造を作成するために必要です。このプロセスが適切に維持されない場合、3Dプリントされたオブジェクトの機械的完全性と機能が危険にさらされます。^[12]オブジェクトを維持するには、機械的刺激と化学的刺激の両方が必要です。これらの刺激は細胞に信号を送り、組織の再構築と成長を制御します。さらに、最近の開発では、バイオリアクター技術^[17]により、組織の急速な成熟、組織の血管新生、移植後の生存能力が可能になりました。^[13]

バイオリアクターは、対流による栄養素の輸送、微小重力環境の作成、圧力の変化による溶液の細胞内への流入、動的または静的負荷のための圧縮の追加のいずれかの機能を果たします。各タイプのバイオリアクターは、異なるタイプの組織に最適です。たとえば、圧縮バイオリアクターは軟骨組織に最適です。^{[14] : 198}

この分野の研究者は、適切な生物学的および機械的特性を備えた生体臓器を生産するためのアプローチを開発してきました。3Dバイオプリンティングは、バイオミミクリー、自律的自己組織化、ミニ組織ビルディングブロックという3つの主要なアプローチに基づいています。^[18]

バイオプリンティングの最初のアプローチはバイオミミクリーと呼ばれます。このアプローチの主な目的は、人体の組織や臓器に見られる自然な構造と同一の構造を人工的に作り出すことです。バイオミミクリーでは、臓器や組織の形状、フレームワーク、微小環境を複製する必要があります。^[19]バイオプリンティングにおけるバイオミミクリーの応用には、臓器の同一の細胞部分と細胞外部分の両方の作成が含まれます。このアプローチを成功させるには、組織を微小スケールで複製する必要があります。したがって、微小環境、この微小環境における生物学的力の性質、機能的細胞タイプと支持細胞タイプの正確な構成、溶解性因子、および細胞外マトリックスの構成を理解する必要があります。^[18]

バイオプリンティングの 2 番目のアプローチは、自律的自己組織化です。このアプローチは、胚の器官発達の物理的プロセスをモデルとして利用し、対象の組織を複製します。^[19]細胞が初期発達段階にあるとき、細胞は独自の細胞外マトリックス構成要素、適切な細胞シグナル伝達、および独立した配置とパターン化を作成して、必要な生物学的機能とマイクロアーキテクチャを提供します。^[18]自律的自己組織化には、胚の組織と器官の発達技術に関する特定の情報が必要です。^[19]進化する組織に似せるために融合と細胞配置を受ける自己組織化スフェロイドを使用する「スキャフォールドフリー」モデルがあります。自律的自己組織化は、これらの組織の構成要素、構造的および機能的特性を導く組織形成の基本的な駆動力としての細胞に依存します。胚の組織のメカニズムがどのように発達するか、およびバイオプリントされた組織を作成するために取り囲まれる微小環境について、より深い理解が必要です。^[18]

バイオプリンティングの3番目のアプローチは、バイオミミクリーと自己組織化のアプローチを組み合わせたもので、ミニ組織と呼ばれます。臓器や組織は非常に小さな機能部品から作られています。ミニ組織アプローチは、これらの小さな部分をより大きなフレームワークに配置します。^{[19] [18]}

通常のインクプリンターと同様に、バイオプリンターには3つの主要なコンポーネントがあります。使用するハードウェア、バイオインクの種類、およびバイオインクが印刷される材料（バイオマテリアル）です。^[12]バイオインクは生きた細胞から作られた材料で、液体のように振る舞い、それを「印刷」して目的の形状を作成できます。バイオインクを作るために、科学者は細胞のスラリーを作成し、それをカートリッジに装填して特別に設計されたプリンターに挿入します。また、バイオペーパーと呼ばれるゲルが入った別のカートリッジも使用します。」^[20]バイオプリンティングでは、インクジェット、レーザーアシスト、押し出しの3種類のプリンターが使用されています。インクジェットプリンターは、主にバイオプリンティングで高速で大規模な製品に使用されます。ドロップオンデマンドインクジェットプリンターと呼ばれるインクジェットプリンターの一種は、材料を正確な量で印刷し、コストと廃棄物を最小限に抑えます。^[21]レーザーを使用するプリンターは高解像度の印刷を提供しますが、これらのプリンターは高価であることが多いです。押し出しプリンターは、3Dプリントと同じように、細胞を層ごとに印刷して3D構造を作成します。細胞だけでなく、押し出しプリンターでは細胞を注入したハイドロゲルも使用できます。^[12]

押し出しベースの印刷は、3D印刷の分野では非常に一般的な技術であり、溶融した固体材料または粘性液体の連続的な流れを、ノズルまたはシリンジなどの一種の開口部を通して押し出す、または押し出すことを伴います。^[22]押し出しベースのバイオプリンティングに関しては、4つの主要な押し出しタイプがあります。これらは、空気駆動、ピストン駆動、スクリュー駆動、および偏心スクリュー駆動（プログレッションキャビティポンプとも呼ばれます）です。各押し出し方法には、独自の利点と欠点があります。空気圧押し出しは、加圧空気を使用して液体バイオインクを堆積剤に押し込みます。バイオインクを押し出す空気が汚染されていないことを確認するために、使用前に空気を滅菌するためにエアフィルターが一般的に使用されます。^[23]ピストン駆動押し出しは、ガイドスクリューに接続されたピストンを使用します。ピストンの直線運動により、ノズルから材料が絞り出されます。スクリュー駆動押し出しは、オーガースクリューを使用して回転運動で材料を押し出します。^[24]スクリュー駆動装置では、より高粘度の材料を使用でき、より詳細な容積制御が可能です。^[22] 偏心スクリュー駆動システムでは、押出機内のセルフシールチャンバーにより、低粘度から高粘度の材料をより正確に堆積できます。^[25]多くの材料は、印刷後、構造に望ましい機械的特性を得るために架橋ステップを必要としますが、これは、例えば化学薬品や光架橋剤の処理によって達成できます。

直接押し出しは、最も一般的な押し出しベースのバイオプリンティング技術の1つであり、加圧された力によってバイオインクがノズルから流れ出し、キャスティングを必要とせずに足場を直接印刷します。^{[26]このアプローチのバイオインク自体は、ポリマーヒドロゲル、}コラーゲンなどの天然由来の材料、および溶液に懸濁した生細胞の混合物です。^[26]このように、足場は印刷後に培養することができ、細胞播種のためのさらなる処理は必要ありません。 直接印刷技術の使用における一部の焦点は、同軸ノズルアセンブリ、または同軸押し出しの使用に基づいています。同軸ノズルのセットアップにより、複数の材料バイオインクを同時に押し出すことができ、1回の押し出しステップで多層の足場を作成できます。^[27] 管状構造の開発により、これらの技術を介して達成される層状押し出しは、同軸ノズルがバイオインクの流れのための内側と外側のチューブを提供するため、提供できる材料特性の放射状の可変性にとって望ましいことがわかりました。^[27]バイオプリンティングのための間接押し出し技術では、細胞を含んだハイドロゲルのベース材料の印刷が必要ですが、直接押し出しとは異なり、印刷後に熱または化学抽出によって簡単に除去できる犠牲ハイドロゲルが含まれています。^[28]残った樹脂は固化し、目的の3Dプリント構造になります。

レーザーベースのバイオプリンティングは、細胞転写技術と光重合に基づくものの2つの主要なクラスに分けられます。細胞転写レーザープリンティングでは、レーザーがエネルギー吸収材料（金、チタンなど）とバイオインクの間の接続を刺激します。この「ドナー層」はレーザーの照射下で蒸発し、ジェットから堆積したバイオインク層から泡を形成します。^[29]光重合技術は、むしろ光開始反応を使用してインクを固め、レーザーのビーム経路を移動させて目的の構造の形成を誘発します。光重合反応と組み合わせた特定のレーザー周波数は、材料内の細胞を損傷することなく実行できます。

この印刷方法では、プラスチックの残留物を溶かし、個々の層をセクションごとに重ねて、希望の形状を作成します。この方法で使用される生体材料の例としては、ナイロンとPVAがあります。この技術は、義肢や軟骨構造のプロトタイプを設計するために最もよく使用されます。^[30]

バイオプリンティングの別の形態は、主にバイオメディカルの現場で使用されているインクジェットプリンターを使用するものである。この方法では、タンパク質や核酸の微細構造を印刷する。^[30]バイオインクとして一般的に選択されるのはハイドロゲルである。細胞は、選択された表面媒体に印刷され、増殖し、最終的には分化することができる。この印刷方法の欠点は、ハイドロゲルなどのバイオインクは粘度が高いため、印刷ノズルを詰まらせてしまうことである。 ^[30]理想的なインクジェットバイオプリンティングでは、低ポリマー粘度（理想的には10センチポアズ以下）、低細胞密度（<1000万細胞/mL）、および低構造高さ（<1000万細胞/mL）を使用する。^[31]

あまり一般的ではないバイオプリンティング技術は他にもいくつかあります。液滴ベースのバイオプリンティングは、細胞やハイドロゲルのバイオインクブレンドを正確な位置の液滴に配置する技術です。このアプローチの中で最も一般的なのは、熱および圧電ドロップオンデマンド技術です。^[32]このバイオプリンティング方法は、肺がんモデルや卵巣がんモデルで実験的によく使用されます。^[33]熱技術では、短時間の信号を使用してバイオインクを加熱し、噴出される小さな気泡の形成を誘発します。圧電バイオプリンティングでは、圧電アクチュエータに短時間の電流を適用し、ノズルからバイオインクの小さな球を噴出できる機械的振動を誘発します。液滴ベースのバイオプリンティングアプローチの研究の重要な側面は、押し出されたときにノズル先端付近でバイオインク内の細胞が受ける機械的および熱的ストレスを考慮することです。

バイオインクはバイオプリンティングのプロセスに不可欠な要素です。これらは生きた細胞と酵素サプリメントで構成されており、印刷された組織の生物学的ニーズをサポートする環境を育みます。^[34]バイオインクによって作成された環境により、細胞は付着し、成長し、成体の形に分化することができます。^[34]細胞をカプセル化するハイドロゲルは押し出しベースのバイオプリンティング方法で使用され、ゼラチンメタクリロイルゼラチンメタクリロン（GelMA）と無細胞バイオインクは、架橋と正確な構造的完全性を必要とする組織工学技術で最もよく使用されます。^[34]バイオインクは、細胞が自然に発生する外部細胞マトリックス環境を再現するために不可欠です。

3Dバイオプリンティングは、体のさまざまな部位の組織を再建するために使用できます。医療における3Dプリンティング採用の前身は、ボストン小児病院の研究者が実施した一連の試験でした。チームは、スキャフォールドを構築し、患者の細胞でスキャフォールドを重ねて成長させることで、7人の患者のために手作業で交換用膀胱を作成しました。移植後7年経っても患者の健康状態が良好であったため、試験は成功し、アンソニー・アタラ医学博士という研究員は、このプロセスを自動化する方法を模索するようになりました。^[35]末期の膀胱疾患の患者は、バイオエンジニアリングされた膀胱組織を使用して損傷した臓器を再建することで治療できるようになりました。^[36]この技術は、骨、皮膚、軟骨、筋肉組織にも適用できる可能性があります。^[37]ただし、3Dバイオプリンティング技術の長期的な目標の1つは、臓器全体を再建し、移植用の臓器不足の問題を最小限に抑えることです。^[38]肝臓、皮膚、半月板、膵臓など、完全に機能する臓器のバイオプリンティングはほとんど成功していない。^{[39] [40] [41]}移植可能なステントとは異なり、臓器は複雑な形状をしており、バイオプリントするのが非常に困難です。たとえば、バイオプリントされた心臓は、構造要件だけでなく、血管新生、機械的負荷、および電気信号伝播の要件も満たす必要があります。^[42] 2022年には、患者自身の細胞から作られた3Dバイオプリント移植、小耳症を治療するための外耳の臨床試験の最初の成功が報告されました^{[43] 。 [44]}

3Dバイオプリンティングは、バイオマテリアルと呼ばれる革新的な材料の研究を可能にすることで、組織工学の医療分野における大きな進歩に貢献しています。最も注目すべきバイオエンジニアリング物質のいくつかは、通常、軟部組織や骨などの平均的な身体材料よりも強力です。これらの成分は、将来的には元の身体材料の代替品、さらには改良品として機能する可能性があります。さらに、国防脅威削減局は、心臓、肝臓、肺などのミニ臓器を印刷して、新薬をより正確にテストし、動物実験の必要性をなくすことを目指しています。^[15]

バイオプリンティングは培養肉にも応用できる。2021年には、3種類の牛細胞繊維で構成されたステーキのような培養肉が生産された。和牛のような牛肉は、本来の肉に似た構造をしている。^{[45] [46]}この技術は、畜産業が病気に悩まされている場合、天然の肉の収穫方法に代わる方法を提供する。さらに、畜産業の環境への影響を軽減する可能性のある解決策を提供する。

バイオレメディエーションは、微生物、または最近では酵素、バイオコンポジット、バイオポリマー、ナノ粒子などの生物由来の材料を使用して、汚染物質を生化学的に無害な物質に分解するため、環境に優しく費用対効果の高い代替手段となっています。3Dバイオプリンティングは、これらの材料を使用してバイオレメディエーションプロセスを強化する機能構造の製造を容易にし、バイオレメディエーションの改善における3Dバイオプリント構造の応用に大きな関心が集まっています。^[3]

バイオフィルムのバイオプリンティングは、他のバイオプリンティングと同じ方法を使用します。多くの場合、バイオフィルムは、バイオフィルムの成長のための構造を提供するために多糖類の押し出しから始まります。これらの多糖類の1つの例はアルギン酸です。アルギン酸構造は、構造内に微生物を埋め込むことができます。^[47] ハイドロゲルは、機能的なバイオフィルムの形成を支援するためにも使用できます。^[2]バイオフィルムは、複雑な構造と機能的なバイオフィルムの形成に時間がかかることから、実験室環境で分析するのが困難です。3Dバイオプリンティングバイオフィルムを使用すると、特定のプロセスをスキップして、機能的なバイオフィルムの分析を容易にすることができます。^{[47]印刷される}バイオフィルムの厚さは、栄養素と酸素の拡散により機能性を変えます。たとえば、より厚い3Dプリントバイオフィルムは、自然に嫌気性菌を選択します。^[48]

バイオフィルムは自然環境での修復が可能であり、環境修復における3Dバイオプリントバイオフィルムの使用に関して可能性があることを示唆しています。^[49]微生物は広範囲の化学物質や金属を分解することができ、バイオフィルム構造のようにこれらの微生物が繁殖するための構造を提供することは有益です。^[50]人工バイオフィルムは、シグナル伝達と全体的な微生物相互作用を促進しながら、環境の危険から微生物を保護します。^[51] 3Dバイオプリンティングにより、機能的な微生物を機械的安定性を提供し、環境条件から保護する構造に配置することができます。^[11] [3]通常の環境構造と比較して3Dプリント構造によって提供される接触面積が大きいため、汚染物質をより効率的に除去できます。^{[11] [3 ]}

バイオプリンティングは、将来的には廃水処理や腐食制御の補助にも使用できる可能性があります。^[47]人間が環境バイオフィルムに接触すると、感染症や長期的な健康被害が発生する可能性があります。^[51]バイオフィルム内での抗生物質の浸透と拡大は、環境バイオフィルムが人間の健康に及ぼす影響をさらに調査するために、バイオプリンティング技術の恩恵を受けることができる研究分野です。^[11]バイオフィルムプリンティングは、公開されたデータが限られており、プロトコルが複雑なため、さらなる研究が必要です。

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