UCサンディエゴのエンジニアが、3Dバイオプリンティングの主要な形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 カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)
◆この研究は、『Science Advances』誌の2023年2月22日号に掲載されました。
◆バイオプリンティングは、3Dプリント技術に基づき、細胞とバイオポリマーを用いて生体構造や組織を作成するものである。3D-EngineeredTissue(生きた細胞と生体材料の足場からなる、実験室で作成された、機能的な人間のような組織)は、薬物検査や開発、臓器移植、再生医療、個別化医療、疾患モデルなど、バイオメディカル用途に大きな可能性を秘めている。また、臓器提供者の不足や免疫拒絶反応に関連する問題を軽減することもできます。
◆3Dバイオプリンティングの中で最も有望視されているのが、DLP(Digital Light Processing)バイオプリンティングと呼ばれるものです。この3Dバイオプリンティングの分野では、細胞密度が高く、微細な構造を持つ組織をプリントすることが困難でした。
◆既存の手法では、DLPベースの3Dバイオプリンティングに使用される生体適合性ポリマーであるバイオインクに細胞が密集するほど、光が散乱し、印刷の解像度が妨げられる。
◆研究者らは、バイオインクの新成分である造影剤「ヨウ素キサノール」のおかげで、この光散乱の影響を10分の1に減らし、高い細胞密度と高い解像度で印刷できるようにした。
◆DLP方式3Dバイオプリンティングは、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)を用いて、3Dモデルの2次元断面を光架橋性バイオインクに投影するものである。光を照射すると、合成または天然の光架橋性バイオインクが固化する。その後、電動ステージでバイオインクを数十ミクロンから200ミクロン程度持ち上げ、未硬化のバイオインクを隙間に補充する。次の断面がバイオインクに投影されると、新しい層が固化し、この工程が繰り返される。
◆うまくいけば、投影された断面の形状にぴったりと合った層が形成される。しかし、従来の方法では、バイオインクに細胞が含まれることで光の散乱が激しくなり、バイオインクに投影された光がぼやけてしまうことがありました。その結果、新たに形成された層は、投影された断面の微細な形状を再現することができない。
◆バイオインクの屈折率を調整することで、この散乱効果を最小限に抑え、加工性を大幅に向上させることができる。陳研究室の研究によると、屈折率を調整したゼラチンメタクリレート(GelMA)バイオインクで、細胞密度が1億/mLと高くても、50 µm程度の形状を実現できることがわかった。
◆このアプローチでは、細胞を含んだ厚い組織に埋め込まれた中空の有機血管網が、灌流培養や長期培養を可能にし、雪の結晶とスポークの形状が正負両方の特徴の高い解像度を示すなど、いくつかの新しい技術的革新が導入されています。
◆さらに、組織学的・機能的再現性を高めるために、精密な構造をもつ高細胞密度のin vitro組織モデルを開発し、ヒトへの組織・臓器移植や置換に向けた高細胞密度の大組織プリントを目指すことも、Chen教授の提案する次のステップの1つである。
<関連情報>
- https://today.ucsd.edu/story/a-new-technique-creates-greater-fidelity-in-bioprinting-functional-human-tissues
- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7923
高細胞密度・高解像度3Dバイオプリンティングによる血管組織の作製 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
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.
