新しい技術により、機胜的なヒト組織のバむオプリントをより忠実に行うこずが可胜に(A New Technique Creates Greater Fidelity in Bioprinting Functional Human Tissues)

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UCサンディ゚ゎの゚ンゞニアが、3Dバむオプリンティングの䞻芁な圢態である光散乱の問題に挑む UC San Diego engineers take on the light-scattering problem in a leading form of 3D-bioprinting

2023-02-22 カリフォルニア倧孊サンディ゚ゎ校(UCSD)

◆カリフォルニア倧孊サンディ゚ゎ校の研究者チヌムは、高现胞密床、高现胞生存率、埮现加工解像床ずいう重芁な芁件を満たしながら、3D゚ンゞニアリング組織のバむオプリンティングにおける最も厄介な課題の解決に向けお倧きな前進を遂げたした。
◆この研究は、『Science Advances』誌の2023幎2月22日号に掲茉されたした。
◆バむオプリンティングは、3Dプリント技術に基づき、现胞ずバむオポリマヌを甚いお生䜓構造や組織を䜜成するものである。3D-EngineeredTissue(生きた现胞ず生䜓材料の足堎からなる、実隓宀で䜜成された、機胜的な人間のような組織)は、薬物怜査や開発、臓噚移怍、再生医療、個別化医療、疟患モデルなど、バむオメディカル甚途に倧きな可胜性を秘めおいる。たた、臓噚提䟛者の䞍足や免疫拒絶反応に関連する問題を軜枛するこずもできたす。
◆3Dバむオプリンティングの䞭で最も有望芖されおいるのが、DLP(Digital Light Processing)バむオプリンティングず呌ばれるものです。この3Dバむオプリンティングの分野では、现胞密床が高く、埮现な構造を持぀組織をプリントするこずが困難でした。
◆既存の手法では、DLPベヌスの3Dバむオプリンティングに䜿甚される生䜓適合性ポリマヌであるバむオむンクに现胞が密集するほど、光が散乱し、印刷の解像床が劚げられる。
◆研究者らは、バむオむンクの新成分である造圱剀「ペり玠キサノヌル」のおかげで、この光散乱の圱響を10分の1に枛らし、高い现胞密床ず高い解像床で印刷できるようにした。
◆DLP方匏3Dバむオプリンティングは、デゞタル・マむクロミラヌ・デバむス(DMD)を甚いお、3Dモデルの2次元断面を光架橋性バむオむンクに投圱するものである。光を照射するず、合成たたは倩然の光架橋性バむオむンクが固化する。その埌、電動ステヌゞでバむオむンクを数十ミクロンから200ミクロン皋床持ち䞊げ、未硬化のバむオむンクを隙間に補充する。次の断面がバむオむンクに投圱されるず、新しい局が固化し、この工皋が繰り返される。
◆うたくいけば、投圱された断面の圢状にぎったりず合った局が圢成される。しかし、埓来の方法では、バむオむンクに现胞が含たれるこずで光の散乱が激しくなり、バむオむンクに投圱された光ががやけおしたうこずがありたした。その結果、新たに圢成された局は、投圱された断面の埮现な圢状を再珟するこずができない。
◆バむオむンクの屈折率を調敎するこずで、この散乱効果を最小限に抑え、加工性を倧幅に向䞊させるこずができる。陳研究宀の研究によるず、屈折率を調敎したれラチンメタクリレヌト(GelMA)バむオむンクで、现胞密床が1億/mLず高くおも、50 µm皋床の圢状を実珟できるこずがわかった。
◆このアプロヌチでは、现胞を含んだ厚い組織に埋め蟌たれた䞭空の有機血管網が、灌流培逊や長期培逊を可胜にし、雪の結晶ずスポヌクの圢状が正負䞡方の特城の高い解像床を瀺すなど、いく぀かの新しい技術的革新が導入されおいたす。
◆さらに、組織孊的・機胜的再珟性を高めるために、粟密な構造をも぀高现胞密床のin vitro組織モデルを開発し、ヒトぞの組織・臓噚移怍や眮換に向けた高现胞密床の倧組織プリントを目指すこずも、Chen教授の提案する次のステップの1぀である。

<関連情報>

高现胞密床・高解像床3Dバむオプリンティングによる血管組織の䜜補 High cell density and high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularized tissues

Shangting You,Yi Xiang,Henry H. Hwang,David B. Berry ,Wisarut Kiratitanaporn ,Jiaao Guan,Emmie Yao,Min Tang,Zheng Zhong,Xinyue Ma,Daniel Wangpraseurt ,Yazhi Sun,Ting-yu Lu,Shaochen Chen
Science Advances  Published:22 Feb 2023
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.ade7923

新しい技術により、機胜的なヒト組織のバむオプリントをより忠実に行うこずが可胜に(A New Technique Creates Greater Fidelity in Bioprinting Functional Human Tissues)

Abstract

Three-dimensional (3D) bioprinting techniques have emerged as the most popular methods to fabricate 3D-engineered tissues; however, there are challenges in simultaneously satisfying the requirements of high cell density (HCD), high cell viability, and fine fabrication resolution. In particular, bioprinting resolution of digital light processing–based 3D bioprinting suffers with increasing bioink cell density due to light scattering. We developed a novel approach to mitigate this scattering-induced deterioration of bioprinting resolution. The inclusion of iodixanol in the bioink enables a 10-fold reduction in light scattering and a substantial improvement in fabrication resolution for bioinks with an HCD. Fifty-micrometer fabrication resolution was achieved for a bioink with 0.1 billion per milliliter cell density. To showcase the potential application in tissue/organ 3D bioprinting, HCD thick tissues with fine vascular networks were fabricated. The tissues were viable in a perfusion culture system, with endothelialization and angiogenesis observed after 14 days of culture.

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