バイオインク

バイオインクは、3Dプリンティングを使用して人工生体組織を製造するために使用される材料です。これらのインクは、主に使用されている細胞で構成されていますが、細胞を包む追加の材料と組み合わせて使用​​されることがよくあります。細胞と通常はバイオポリマーゲルの組み合わせは、バイオインクとして定義されます。それらは、レオロジー、機械的、生体機能的、生体適合性などの特定の特性を満たす必要があります。バイオインクを使用すると、製造された構造物を自動的に高い再現性と正確な制御で制御できます。^[1]これらのインクは、組織工学および再生医療（TERM）のための最も高度なツールの1つと見なされています。^[2]

従来の3D 印刷でよく使用される熱可塑性プラスチックと同様に、バイオインクは印刷ノズルまたはニードルからフィラメントに押し出され、堆積後も形状の忠実性を維持できます。ただし、バイオインクは通常の3D 印刷処理条件 に敏感です。

従来の3Dプリント材料との違い

• 非常に低い温度（37℃以下）で印刷
• 軽度の架橋条件
• 自然由来
• バイオアクティブ
• 細胞操作可能

バイオインクの組成と化学は、多くの場合、既存のハイドロゲル生体材料からヒントを得て派生しています。しかし、これらのハイドロゲル生体材料は、簡単にピペットで採取してウェルプレートやその他の型に流し込めるように開発されることが多いです。これらのハイドロゲルの組成を変えてフィラメント形成を可能にすることは、バイオプリント可能な材料として転用するために必要です。しかし、バイオインクのユニークな特性は、材料の印刷可能性を特徴付ける上で新たな課題をもたらします。^{[3] [4]}

従来のバイオプリンティング技術では、最終構造を作成するために材料を層ごとに堆積させますが、2019年に体積バイオプリンティングと呼ばれる新しい方法が導入されました。体積バイオプリンティングは、バイオインクを液体セルに配置し、エネルギー源によって選択的に照射すると発生します。この方法では、照射された材料が積極的に重合され、最終構造が形成されます。バイオインクの体積バイオプリンティングを使用してバイオマテリアルを製造すると、製造時間を大幅に短縮できます。材料科学では、これはパーソナライズされたバイオマテリアルを迅速に生成できるようにする画期的な技術です。バイオプリンティング業界で大きな進歩を実現するには、この手順を開発して臨床的に研究する必要があります。^[5]

印刷されると基本的に「固定」される熱可塑性プラスチックなどの従来の3D印刷材料とは異なり、バイオインクは水分含有量が高く、非結晶構造であることが多いため、動的なシステムです。フィラメント堆積後のバイオインクの形状忠実度も特徴付ける必要があります。^{[6]最後に、印刷プロセス中にバイオインクとバイオインク内の細胞にかかる}せん断応力を最小限に抑えるために、印刷圧力とノズルの直径を考慮する必要があります。せん断力が高すぎると、細胞が損傷または溶解し、細胞の生存率に悪影響を与える可能性があります。

印刷可能性に関する重要な考慮事項は次のとおりです。

• フィラメント径の均一性
• フィラメントの相互作用角度
• フィラメントが交差点で「滲み出る」
• 印刷後、架橋前の形状忠実度の維持
• 印刷圧力とノズル径
• 印刷粘度
• ゲル化特性

構造バイオインクは、アルギン酸塩、脱細胞化 ECM、ゼラチンなどの材料を使用して、目的のプリントのフレームワークを作成するために使用されます。材料の選択により、機械的特性、形状とサイズ、および細胞の生存率を制御できます。これらの要素により、このタイプはバイオプリント設計の最も基本的なものの 1 つでありながら、最も重要な側面の 1 つとなっています。

犠牲バイオインクは、印刷中にサポートするために使用される材料であり、その後、外側の構造内にチャネルまたは空き領域を作成するために印刷から除去されます。チャネルと空きスペースは、細胞の移動と栄養素の輸送を可能にするために非常に重要であり、血管ネットワークを設計する場合に役立ちます。これらの材料は、水溶性、特定の温度での分解、または自然な急速分解など、維持する必要がある周囲の材料に依存する特定の特性を持っている必要があります。非架橋ゼラチンとプルロニックは、潜在的な犠牲材料の例です。

機能性バイオインクは、インクの中でもより複雑な形態の 1 つで、細胞の成長、発達、分化を誘導するために使用されます。これは、成長因子、生物学的手がかり、表面の質感や形状などの物理的手がかりを統合する形で行うことができます。これらの材料は、機能的な組織や構造関連機能を開発する上で最大の要因であるため、最も重要な材料と言えます。

バイオプリントされた構造は、印刷後の初期段階では、複雑な構造と張り出しのため、非常に壊れやすく脆弱になることがあります。これらのサポート構造により、その段階から抜け出す機会が与えられます。構造が自立したら、これらを取り除くことができます。印刷後に構造をバイオリアクターに導入するなどの他の状況では、これらの構造を使用して、より速い速度で組織を開発するために使用されるシステムとの簡単なインターフェイスを実現できます。

アルギン酸は褐藻類の細胞壁から得られる天然由来のバイオポリマーで、生体適合性、細胞毒性の低さ、ゲル化プロセスが穏やかで低コストであることからバイオメディカルで広く使用されています。アルギン酸はカルシウムなどの二価イオンを組み込むことで架橋条件が穏やかになるため、バイオプリンティングに特に適しています。これらの材料は粘度を高めることでバイオインクとして採用されています。^[7]さらに、これらのアルギン酸ベースのバイオインクはナノセルロースなどの他の材料と混合して軟骨などの組織に適用することができます。^[8]

ゲル化が速いと印刷性が良好になるため、バイオプリンティングでは主にアルギン酸塩、改質アルギン酸塩単独、または他の生体材料と混合したアルギン酸塩が使用されます。アルギン酸塩はバイオプリンティングで最も広く使用されている天然ポリマーになり、おそらく生体内研究で最も一般的に選択される材料です。

ジェランガムは、細菌によって生成される親水性で高分子量の陰イオン性多糖類です。アルギン酸に非常に似ており、低温でハイドロゲルを形成できます。米国食品医薬品局（FDA）によって食品への使用が承認されています。ジェランガムは主にゲル化剤および安定剤として使用されます。ただし、バイオプリンティングの目的で単独で使用されることはほとんどありません。^[1]

アガロースは、海藻や紅藻から抽出される多糖類です。ゲル化特性があるため、電気泳動用途や組織工学でよく使用されます。アガロースの融点とゲル化温度は化学的に変更できるため、印刷性が向上します。特定のニーズや条件に合わせて変更できるバイオインクがあれば理想的です。

ゼラチンは、人工組織の生体材料として広く利用されている。ゼラチン足場の形成は、低温でゲルを形成する材料の物理的な鎖の絡み合いによって決定される。しかし、生理学的温度では、ゼラチンの粘度は大幅に低下する。ゼラチンのメタクリル化は、生理学的温度で形状の忠実性を維持しながら印刷できるゼラチン足場を製造するための一般的なアプローチである。^[9]

コラーゲンは、哺乳類細胞の細胞外マトリックスの主なタンパク質です。このため、コラーゲンは組織に適合する物理化学的特性と生体適合性を備えています。さらに、コラーゲンはすでに生物医学的用途に使用されています。コラーゲンが使用されている研究には、人工皮膚組織、筋肉組織、さらには骨組織などがあります。^[1]

プルロニックは、そのユニークなゲル化特性により、印刷用途に利用されてきました。^[10]生理学的温度以下では、プルロニックは低粘度を示します。しかし、生理学的温度では、プルロニックはゲルを形成します。しかし、形成されたゲルは物理的な相互作用によって支配されます。化学的に架橋される可能性のあるアクリレート基でプルロニック鎖を修飾することにより、より永続的なプルロニックベースのネットワークを形成できます。^[11]

ポリエチレングリコール（PEG）は、エチレンオキシド 重合によって合成された合成ポリマーです。調整可能でありながら通常は強力な機械的特性を持つため、好ましい合成材料です。^[1] PEGの利点には、非細胞毒性と非免疫原性も含まれます。ただし、PEGは生体不活性であるため、他の生物学的に活性なハイドロゲルと組み合わせる必要があります。

脱細胞化細胞外マトリックスベースのバイオインクは、ほぼあらゆる哺乳類の組織から抽出できます。心臓、筋肉、軟骨、骨、脂肪などの臓器は、脱細胞化、凍結乾燥、粉砕され、可溶性マトリックスが作成され、その後ゲルに形成されます。^[12]これらのバイオインクは、成熟組織から抽出されるため、他の材料に比べていくつかの利点があります。これらは、組織起源に固有のECM構造タンパク質と装飾タンパク質の複雑な混合物で構成されており、細胞に組織固有の合図を提供します。多くの場合、これらのバイオインクは、熱ゲル化またはリボフラビンの使用などの化学架橋によって架橋されています。^[13]脱細胞化ECMの印刷性を向上させるために、GelMA、アルギン酸などのさまざまな添加剤が使用されています。^[14]