オルガン印刷

臓器プリンティングは、従来の3Dプリンティングと同様の技術を利用しており、コンピューターモデルをプリンターに送り込み、プラスチックやワックスを何層にも重ねて3Dオブジェクトを作ります。^[1]臓器プリンティングの場合、プリンターが使用する材料は生体適合性プラスチックです。^[1]生体適合性プラスチックは、印刷する臓器の骨格として機能する足場を形成します。 ^[1]プラスチックが敷かれると、印刷する患者の臓器から採取したヒト細胞もそこに播種されます。^[1]印刷後、臓器は細胞が成長する時間を与えるためにインキュベーションチャンバーに移されます。^[1]十分な時間が経過すると、臓器は患者に移植されます。^[1]

多くの研究者にとって、臓器印刷の究極の目標は、人体に完全に統合できる臓器を作成することです。^{[1]臓器印刷の成功は、}人工臓器、 臓器移植、^[2]製薬研究、^[3]医師と外科医のトレーニングなど、いくつかの業界に影響を与える可能性があります。^[4]

臓器印刷の分野は、1984年に発明された3D印刷の基礎となったステレオリソグラフィーの研究から生まれました。^[5] 3D印刷の初期の時代では、印刷プロセスに使用された材料が耐久性がなかったため、永続的なオブジェクトを作成することはできませんでした。^[6] 3D印刷は、代わりに、より伝統的な技術でさまざまな材料から最終的に作られる可能性のある最終製品をモデル化する方法として使用されました。 ^[5] 1990年代初頭には、3D印刷されたオブジェクトの耐久性を高めるナノ複合材料が開発され、3D印刷されたオブジェクトをモデル以外の用途にも使用できるようになりました。 ^[6]医療分野の人々が人工臓器を生成する手段として3D印刷を検討し始めたのはこの頃でした。^[5] 1990年代後半までに、医療研究者は3D印刷に使用できる生体適合性材料を探していました。 ^[5]

バイオプリンティングの概念は1988年に初めて実証されました。^[7]当時、研究者は改造したHP インクジェットプリンターを使用し、細胞刻印技術を使用して細胞を堆積しました。^[7] 1999年、バイオプリンティングを使用して作られた最初の人工臓器が、ウェイクフォレスト再生医療研究所のアンソニー・アタラ博士率いる科学者チームによって印刷され、進歩は続きました。^[8]ウェイクフォレストの科学者は、人間の膀胱用の人工スキャフォールドを印刷し、次に患者の細胞をスキャフォールドに播種しました。 ^{[5]この方法を使用して、機能する}臓器を育てることができ、移植から10年後、患者に深刻な合併症はありませんでした。^[9]

ウェイクフォレスト大学の膀胱に続いて、他の臓器の印刷に向けて大きな進歩が遂げられた。2002年には、完全に機能する小型の腎臓が印刷された。^{[6] 2003年には、}クレムソン大学のトーマス・ボーランド博士が、細胞用のインクジェット印刷の使用に関する特許を取得した。^{[10]このプロセスでは、}基板上に配置された組織化された3Dマトリックスに細胞を堆積させるために、改良されたスポッティングシステムを利用した。^[10]このプリンターにより、バイオプリンティングと適切な生体材料に関する広範な研究が可能になった。^{[9]たとえば、これらの初期の発見以来、生物学的構造の3D印刷は、}細胞マトリックスではなく、組織や臓器の構造の製造を含むようにさらに発展してきた。^[11]さらに、押し出しバイオプリンティングなどの印刷技術がさらに研究され、その後、生産手段として導入された。^[11]

2004年、バイオプリンティングの分野は、さらに別の新しいバイオプリンターによって劇的に変化しました。^[9]この新しいプリンターは、最初に人工の足場を構築する必要なく、生きた人間の細胞を使用することができました。^[9] 2009年、Organovoはこの新しい技術を使用して、最初の市販のバイオプリンターを作成しました。^[9]その後すぐに、Organovoのバイオプリンターは、細胞の足場のない、その種の最初の生分解性 血管の開発に使用されました。 ^[9]

2010年代以降、肝臓や心臓弁などの他の臓器や、血液系ネットワークなどの組織を3Dプリントで製造するための研究が進められてきました。 ^[9] 2019年、イスラエルの科学者たちは、自然の血管のように収縮できる血管ネットワークを備えたウサギサイズの心臓を印刷することに成功し、大きな進歩を遂げました。 ^[12]印刷された心臓は、本物の心臓と比較して正しい解剖学的構造と機能を備えていました。^[12]この進歩は、完全に機能する人間の臓器を印刷する現実的な可能性を示しました。^[9]実際、ポーランドのワルシャワ科学研究開発財団の科学者たちは、バイオプリンティング技術を使用して完全に人工の膵臓を作成する取り組みを行っています。 ^[9]現在までに、これらの科学者たちは機能するプロトタイプを開発することができています。^[9]これは成長分野であり、多くの研究がまだ行われています。

人工臓器の製造のための3Dプリンティングは、生物工学における主要な研究テーマとなっている。3Dプリンティングに伴う迅速な製造技術がますます効率的になるにつれ、人工臓器の合成におけるその応用性がより明らかになっている。3Dプリンティングの主な利点のいくつかは、足場構造を大量生産できることと、足場製品における高度な解剖学的精度にある。これにより、自然の臓器や組織構造の微細構造に、より効果的に似た構造物を作成することができる。^[13] 3Dプリンティングを使用した臓器印刷は、さまざまな技術を使用して実行でき、それぞれが特定の種類の臓器製造に適した特定の利点をもたらす。

機能組織への犠牲的書き込み（SWIFT）は、生きた細胞を密集させて人体の密度を模倣する臓器印刷法です。細胞を詰める際に、血管を模倣したトンネルが彫られ、酸素と必須栄養素がこのトンネルを通じて供給されます。この技術は、細胞を詰めたり血管を作ったりするだけの他の方法を組み合わせたものです。SWIFTは両方を組み合わせたもので、研究者が機能的な人工臓器の作成に近づくための改良です。^[2]

この臓器印刷法では、空間的に制御された光またはレーザーを使用して、バイオインクリザーバーでの選択的光重合によって層状に重ねられた2Dパターンを作成します。その後、2Dパターンを使用して3D構造を層状に構築できます。その後、バイオインクは最終製品から除去されます。SLAバイオプリンティングでは、複雑な形状と内部構造を作成できます。この方法の特徴解像度は非常に高く、唯一の欠点は生体適合性のある樹脂が不足していることです。^[14]

ドロップベースのバイオプリンティングは、指定された材料の液滴を使用して細胞の成長を行います。この液滴は、多くの場合、細胞株と組み合わせられています。細胞自体も、ポリマーの有無にかかわらず、この方法で堆積できます。これらの方法を使用してポリマースキャフォールドを印刷する場合、各液滴は基板表面と接触すると重合を開始し、液滴が合体し始めると、より大きな構造に融合します。重合は、使用するポリマーに応じてさまざまな方法で行うことができます。たとえば、アルギン酸の重合は、基板内のカルシウムイオンによって開始され、液化したバイオインクに拡散して強力なゲルの形成を可能にします。ドロップベースのバイオプリンティングは、生産速度が速いため、一般的に使用されています。ただし、これにより、より複雑な臓器構造にはあまり適さない場合があります。^[15]

押し出しバイオプリンティングでは、押し出し機（ポータブルプリントヘッドの一種）から特定の印刷素材と細胞株を連続的に印刷します。これは、素材や細胞の印刷をより制御された優しい方法で処理し、3D組織や臓器構造の構築により高い細胞密度を使用することを可能にします。ただし、このような利点は、このプロセスに伴う印刷速度の低さによって制限されます。押し出しバイオプリンティングは、印刷された素材を光重合させてより安定した、調整された構造を作成する紫外線と組み合わせられることがよくあります。^[11]

熱溶解積層法（FDM）は、選択的レーザー焼結法に比べて一般的で安価です。このプリンターは、インクジェットプリンターに似た構造のプリントヘッドを使用しますが、インクは使用しません。プラスチックビーズは高温で加熱され、プリントヘッドが移動するとプリントヘッドから放出され、オブジェクトを薄い層で構築します。^[3] FDMプリンターでは、さまざまなプラスチックを使用できます。さらに、FDMで印刷される部品のほとんどは、通常、従来の射出成形や機械加工技術で使用されるものと同じ熱可塑性プラスチックで構成されています。 ^[3]このため、これらの部品は、同様の耐久性、機械的特性、および安定性を備えています。^[3]精密制御により、形状に寄与する各層に対して一貫した放出量と特定の場所への堆積が可能になります。^[3]加熱されたプラスチックがプリントヘッドから堆積されると、下の層と融合または結合します。各層が冷却されると、硬化し、より多くの層が構造に寄与されるにつれて、作成する予定の固体形状を徐々に保持します。

選択的レーザー焼結法（SLS）では、粉末材料を基板として使用して新しい物体を印刷します。SLS は、金属、プラスチック、セラミックの物体を作成するために使用できます。この技術では、粉末材料を焼結するための電源として、コンピューターで制御されるレーザーを使用します。^[16]レーザーは、粉末に目的の物体の形状の断面をトレースし、それを融合して固体にします。^[16]次に、新しい粉末層が敷かれ、このプロセスが繰り返され、粉末を新たに塗布するたびに各層が 1 つずつ構築され、物体の全体が形成されます。SLS 印刷の利点の 1 つは、物体が印刷されると、追加のツール、つまり研磨がほとんど必要ないことです。^[16] SLS を使用した臓器印刷の最近の進歩には、頭蓋顔面インプラントの 3D 構造や心臓組織工学の足場などがあります。^[16]

印刷材料は幅広い基準に適合する必要があり、最も重要な基準の1つは生体適合性です。3Dプリントされた材料によって形成された足場は、細胞増殖に物理的および化学的に適切である必要があります。生分解性はもう1つの重要な要素であり、移植が成功したときに人工的に形成された構造が分解され、完全に自然な細胞構造に置き換えられることを保証します。3Dプリントの性質上、使用される材料はカスタマイズ可能で適応性があり、さまざまな細胞タイプと構造的コンフォメーションに適合する必要があります。^[17]

3Dプリント用の材料は通常、細胞の物理的接着をサポートする細胞接着分子と統合されたアルギン酸またはフィブリン ポリマーで構成されています。このようなポリマーは、構造的安定性を維持し、細胞統合を受け入れるように特別に設計されています。バイオインクという用語は、3Dバイオプリンティングと互換性のある材料の広範な分類として使用されています。^[18]ハイドロゲルアルギン酸は、高度にカスタマイズ可能であり、天然組織に特徴的な特定の機械的および生物学的特性をシミュレートするように微調整できるため、臓器印刷研究で最も一般的に使用される材料の1つとして浮上しました。特定のニーズに合わせて調整できるハイドロゲルは、さまざまな組織または臓器の構造や生理学的条件に適した適応性のある足場材料として使用できます。^{[19]アルギン酸の使用における大きな課題は、その安定性と分解の遅さであり、人工ゲル足場を分解して、移植された細胞自身の細胞}外マトリックスに置き換えることが困難です。^[20]押し出し印刷に適したアルギン酸ハイドロゲルも、構造的にも機械的にもあまり健全ではないことが多いが、この問題はナノセルロースなどの他のバイオポリマーを組み込むことで緩和され、安定性が向上する。アルギン酸または混合ポリマーバイオインクの特性は調整可能であり、さまざまな用途や臓器の種類に合わせて変更することができる。^[20]

組織や3D臓器の印刷に使用されている他の天然ポリマーには、キトサン、ハイドロキシアパタイト（HA）、コラーゲン、ゼラチンなどがあります。ゼラチンは熱に敏感なポリマーで、優れた耐摩耗性、生分解性、生体適合性、および低い免疫拒絶反応を示す特性を備えています。^[21]これらの特性は有利であり、生体内に移植されたときに3Dバイオプリント臓器の高い受容性をもたらします。^[21]

合成ポリマーは、モノマーの化学反応によって人工的に作られる。その機械的特性は、異なる要件に基づいて分子量を低から高まで調節できる点で好ましい。^[21]しかし、官能基がなく構造が複雑なため、臓器印刷での使用は限られている。現在、優れた3D印刷性と生体内組織適合性を備えた合成ポリマーには、ポリエチレングリコール（PEG）、ポリ（乳酸グリコール酸）（PLGA）、ポリウレタン（PU）などがある。PEGは、生体適合性があり、免疫原性のない合成ポリエーテルで、3Dバイオプリンティングに使用するために調整可能な機械的特性を持っている。^{[21] PEGはさまざまな3D印刷用途に利用されているが、細胞接着ドメインがないため、臓器印刷でのさらなる使用は限られている。合成}コポリマーであるPLGAは、動物、人間、植物、微生物などの生物に広く知られている。 PLGAは、PLGA-ゼラチン、PLGA-コラーゲンなどのさまざまな材料システムを作成するために他のポリマーと組み合わせて使用​​されます。これらはすべて、材料の機械的特性、生体内に配置されたときの生体適合性、および調整可能な生分解性を高めます。^{[21] PLGAは、}骨、肝臓、およびその他の大きな臓器の再生のための印刷構造物で最も頻繁に使用されています。最後に、PUは、生分解性と非生分解性の2つのグループに分類できるという点で独特です。^[21]優れた機械的特性と生体不活性特性のため、バイオプリンティングの分野で使用されてきました。 PUの用途としては、無生物の人工心臓が挙げられますが、既存の3Dバイオプリンターを使用してこのポリマーを印刷することはできません。^{[21] PEGと}ポリカプロラクトン（PCL）モノマーで構成される新しいエラストマーPUが作成されました。^[21]この新素材は、優れた生体適合性、生分解性、生体印刷性、生体安定性を示し、複雑なバイオ人工臓器の印刷および製造に使用できます。^{[21]血管と神経ネットワークの構築が非常に優れているため、この素材は}脳、心臓、肺、腎臓 など、さまざまな複雑な方法で臓器の印刷に応用できます。

天然合成ハイブリッドポリマーは、合成成分と生体高分子成分の相乗効果に基づいています。 ^[21]ゼラチンメタクリロイル（GelMA）は、バイオプリンティングの分野で人気の生体材料となっています。GelMAは、適切な生体適合性と容易に調整可能な精神化学的特性により、バイオインク材料として実行可能な可能性を秘めていることが示されています。^[21] ヒアルロン酸（HA） -PEGは、バイオプリンティングアプリケーションで非常に成功していることが証明されているもう1つの天然合成ハイブリッドポリマーです。合成ポリマーと組み合わせたHAは、高い細胞生存率と印刷後の機械的特性の低下が限られた、より安定した構造を得るのに役立ちます。^[21]バイオプリンティングにおけるHA-PEGの最近の用途は、人工肝臓の作成です。最後に、調整可能な機械的特性と効率的な分解速度を備えた一連の生分解性ポリウレタン（PU）-ゼラチンハイブリッドポリマーが、臓器印刷に実装されています。^{[21]このハイブリッドは、}鼻の形をした構造物などの複雑な構造を印刷する能力を持っています。

上記のポリマーはすべて、カスタマイズされた臓器の修復、薬物スクリーニング、代謝モデル分析 などの目的で、移植可能なバイオ人工臓器に製造される可能性があります。

完全な臓器を作るには、多くの場合、異なる種類の細胞を別々にパターン化して組み込む必要があります。従来の移植と比較した 3D プリント臓器の利点の 1 つは、患者から採取した細胞を使用して新しい臓器を作れる可能性があることです。これにより、移植拒絶の可能性が大幅に減少し、移植後の免疫抑制剤の必要性がなくなるため、移植による健康リスクが軽減されます。ただし、必要なすべての種類の細胞を収集できるとは限らないため、成体幹細胞を収集するか、収集した組織に多能性を誘導する必要がある場合があります。 ^[19]これには、リソースを大量に消費する細胞の成長と分化が伴い、印刷された臓器の細胞増殖は体外で発生し、成長因子の外部適用が必要になるため、独自の潜在的な健康リスクが伴います。ただし、一部の組織が分化した構造に自己組織化する能力は、組織の構築と異なる細胞集団の形成を同時に行う方法を提供し、臓器印刷の有効性と機能性を向上させる可能性があります。^[22]

オルガン印刷に使用されるプリンターの種類には以下のものがある: ^[14]

• インクジェットプリンター
• マルチノズル
• ハイブリッドプリンター
• 電界紡糸
• オンデマンドドロップ

これらのプリンターは、前述の方法で使用されます。各プリンターには異なる材料が必要であり、それぞれに利点と制限があります。

現在、臓器不全の患者に対する唯一の治療法は、生体または最近死亡したドナーからの移植を待つことです。^[23]米国だけでも、ドナー臓器の提供を待つ臓器移植リストに載っている患者は10万人を超えます。^[24]ドナーリストに載っている患者は、適切な臓器が提供されるまで何日も、何週間も、何ヶ月も、あるいは何年も待つことがあります。一般的な臓器移植の平均待機期間は、心臓または肺で4ヶ月、肝臓で11ヶ月、膵臓で2年、腎臓で5年です。^[25]これは、患者が心臓で5週間ほど待てた1990年代と比べると大幅に増加しています。^[23]これらの長い待機時間は、臓器の不足と、レシピエントに適した臓器を見つける必要があることに起因しています。^[25]臓器は、血液型、ドナーとレシピエントの体格の類似性、患者の病状の重症度、患者が臓器を待っている時間の長さ、患者の可用性（患者が感染症にかかっている場合に患者に連絡できるかどうか）、患者とドナーの距離、およびドナー臓器の生存期間に基づいて患者に適していると判断されます。^[26]米国では、毎日20人が臓器を待って亡くなっています。^[24] 3D臓器印刷は、これらの問題の両方を解消する可能性があります。必要に応じてすぐに臓器を印刷できれば、臓器不足は発生しません。さらに、印刷した臓器に患者自身の細胞を接種することで、ドナー臓器の適合性を検査する必要がなくなります。

3Dプリンティングの外科的利用は、外科用器具の印刷から、全関節置換術、歯科インプラント、補聴器などの患者固有の技術の開発へと進化してきました。^[27]臓器印刷の分野では、患者と外科医に応用することができます。例えば、印刷された臓器は、構造や損傷をモデル化して解剖学をよりよく理解し、患者と治療法について話し合うために使用されています。^[28]これらの場合、臓器の機能は必要なく、概念実証のために使用されます。これらのモデル臓器は、外科手術の技術の向上、経験の浅い外科医のトレーニング、患者固有の治療への移行に進歩をもたらします。^[28]

3D臓器印刷技術は、高度に複雑なものを高い再現性で、迅速かつ費用対効果の高い方法で製造することを可能にする。^[3] 3D印刷は医薬品の研究と製造に使用されており、液滴サイズと投与量の正確な制御、個別化医療、複雑な薬物放出プロファイルの生成を可能にする変革システムを提供している。^[3]この技術は、薬物を3D印刷された臓器に注入し、体内で放出する埋め込み型薬物送達デバイスを必要とする。 ^[3]また、臓器印刷は、in vitro試験のための変革ツールとして使用されている。^[3]印刷された臓器は、薬物放出因子の発見と投与量研究に利用できる。^[3]

臓器印刷技術は、マイクロ流体技術と組み合わせて臓器オンチップを開発することもできます。^{[29]これらの臓器オンチップは、疾患モデル、創薬の支援、}ハイスループットアッセイの実行に使用できる可能性があります。^[29]臓器オンチップは、天然の細胞外マトリックスを模倣した3Dモデルを提供することで機能し、薬剤に対するリアルな反応を示すことができます。^[29]これまでの研究は、肝臓オンチップと心臓オンチップの開発に重点が置かれてきましたが、全身オンチップモデルを開発する可能性があります。^[29]

3Dプリントされた臓器を組み合わせることで、研究者はボディ・オン・チップを作成することができます。心臓オン・チップモデルは、化学療法薬ドキソルビシンなど、心拍数に基づく副作用を伴ういくつかの薬が、個々の人にどのような影響を与えるかを調査するためにすでに使用されています。^[30]新しいボディ・オン・チッププラットフォームには、肝臓、心臓、肺、腎臓のチップが含まれています。臓器オン・チップは個別に印刷または構築され、その後統合されます。このプラットフォームを使用すると、薬物毒性研究がハイスループットで実行され、コストが削減され、創薬パイプラインの効率が向上します。^[29]

3Dプリント技術は、製品を製造するという全体的な目標のために、さまざまな業界で使用されています。一方、臓器プリントは、生物学的成分を利用して臓器移植の治療用途を開発する新しい業界です。この分野への関心が高まっているため、規制と倫理的配慮を確立することが急務となっています。^[31]具体的には、この治療法の前臨床から臨床への移行には、法的な複雑さが生じる可能性があります。^[32]

1984年に国家臓器移植法が可決されて以来、現在のアメリカの臓器適合に関する規制は、臓器提供者の国家登録簿に集中している。^[1]この法律は平等で誠実な分配を確保するために制定されたが、臓器移植の需要が大きいため不十分であることが証明されている。臓器プリンティングは、患者固有の臓器代替品を印刷することで供給と需要の不均衡を減らすのに役立つ可能性があるが、これらはすべて規制なしでは実現不可能である。米国食品医薬品局（FDA）は、米国における生物製剤、医療機器、および医薬品の規制に責任を負っている。 ^{[31] [32]}この治療アプローチの複雑さのため、臓器プリンティングがスペクトル上でどこに位置しているかは認識されていない。研究では、印刷された臓器は多機能複合製品であると特徴付けられており、これはFDAの生物製剤と医療機器のセクターの間に位置することを意味する。これにより、レビューと承認のためのより広範なプロセスにつながる。^{[31] [32] [33] 2016年にFDAは}付加製造デバイスの技術的考慮 事項に関するガイダンス草案を発行し、現在^{[時点？ ]} 3Dプリントデバイスの新規申請を評価している。^[34]しかし、技術自体はFDAが直接主流にできるほど進んでいない。^[33]現在、完成品ではなく3Dプリンターが、個別化治療アプローチのための技術を標準化するための安全性と有効性の評価の主な焦点となっている。 世界的に見ると、韓国と日本の医療機器規制当局だけが3Dバイオプリンティングに適用可能なガイドラインを提供している。^[31]

知的財産と所有権に関する懸念もあります。これらは、著作権侵害、製造における品質管理、闇市場での無許可使用など、より重大な問題に大きな影響を与える可能性があります。^{[32] [33]} これらの考慮事項は、材料と製造プロセスに重点を置いており、3Dプリンティングの法的側面のサブセクションでより広範囲に説明されています。

倫理的な観点からは、臓器印刷技術の利用可能性、細胞源、および国民の期待に関して懸念がある。このアプローチは従来の外科的移植よりも安価である可能性があるが、これらの3Dプリント臓器の社会的利用可能性に関しては懐疑的である。現代の研究では、裕福な人々がこの治療を受けられる一方で、一般の人々は臓器登録簿に残っているという潜在的な社会的階層化があることが明らかになっている。^[35]前述の細胞源も考慮する必要がある。臓器印刷は動物研究や試験を減らすかなくすことができるが、自己および同種細胞源の倫理的影響についても疑問を投げかける。^{[35] [36]}より具体的には、実験的テストを受ける人間の将来のリスクを調べる研究が始まっている。^[31]一般的に、このアプリケーションは社会的、文化的、宗教的な違いを生み出す可能性があり、世界的な統合と規制をより困難にする可能性がある。^{[32]全体として、臓器印刷の倫理的考慮事項は}バイオプリンティングの一般的な倫理と似ているが、組織から臓器に外挿されている。全体として、臓器の印刷には短期的および長期的な法的、倫理的影響があり、主流の生産が実現可能になる前に考慮する必要があります。

医療用途の臓器印刷はまだ開発段階にあります。したがって、臓器印刷の長期的な影響はまだ決定されていません。研究者は、臓器印刷によって臓器移植の不足が軽減されることを期待しています。^[37]現在、肝臓、腎臓、肺などの利用可能な臓器が不足しています。^[38]命を救う臓器を受け取るまでの長い待ち時間は、米国における主な死亡原因の1つであり、米国では毎年、臓器移植によって死亡を遅らせたり防いだりできる死亡者のほぼ3分の1が存在します。^[38]現在、3Dバイオプリントされ、人間に移植することに成功した唯一の臓器は膀胱です。^[39]膀胱は、宿主の膀胱組織から形成されました。^[39]研究者は、3Dプリントされた臓器の潜在的なプラスの影響は、レシピエントに合わせて臓器をカスタマイズできることであると提案しています。^[3]臓器レシピエントの宿主細胞を使用して臓器を合成できるようにする開発により、臓器拒絶のリスクが減少します。^[38]

臓器を印刷する能力により、動物実験の需要が減少しました。^[40]動物実験は、化粧品から医療機器に至るまでの製品の安全性を判断するために使用されます。化粧品会社はすでに、より小さな組織モデルを使用して新製品を皮膚でテストしています。^[40]皮膚を3D印刷する能力により、化粧品のテストのための動物実験の必要性が減ります。^[38]さらに、新薬の安全性と有効性をテストするために人間の臓器のモデルを印刷する能力により、動物実験の必要性がさらに減ります。^[40]ハーバード大学の研究者は、肺のより小さな組織モデルで薬の安全性を正確にテストできることを突き止めました。^[40] 2009年に最初の商用バイオプリンターの1つを設計したOrganovo社は、生分解性の3D組織モデルを使用して、がん治療薬を含む新薬の研究開発を行うことができることを実証しました。^[41]臓器印刷のさらなる影響には、組織モデルを迅速に作成できるため、生産性が向上することが含まれます。^[3]

3Dプリント臓器の課題の1つは、臓器を生かし続けるために必要な血管を再現することです。^[42]栄養素、酸素、老廃物の輸送には、正しい血管の設計が必要です。^[42]血管、特に毛細血管は、直径が小さいため困難です。^[38]ライス大学ではこの分野で進歩が遂げられており、研究者は生体適合性ハイドロゲルで血管を作る3Dプリンターを設計し、血液に酸素を供給できる肺のモデルを設計しました。^[42]しかし、この技術には、臓器のその他の微細な詳細を複製するという課題が伴います。^[42]気道、血管、胆管の絡み合ったネットワークや臓器の複雑な形状を複製することは困難です。^[42]

臓器印刷の分野で直面している課題は、多血管化や難しい形状の問題を解決するための技術の研究開発だけにとどまりません。臓器印刷が広く利用できるようになるには、持続可能な細胞源を見つけ、大規模な製造プロセスを開発する必要があります。 [43]追加の課題には、合成臓器の長期的な生存率と生体適合性をテストするための臨床試験の設計が含まれます。^[43]臓器印刷の分野では多くの開発が行われてきましたが、より多くの研究を行う必要があります。