3Dバイオプリンティング技術の大きな進歩では、細胞と組織は、「実際の」生物学的構造を構築するために、自然環境で同じように動作するように作成されています。
3D印刷は、コンピューターのデジタル制御下で材料を追加し、結合または固化して、1987次元のオブジェクトまたはエンティティを作成する手順です。 ラピッドプロトタイピングとアディティブマニュファクチャリングは、マテリアルをレイヤー化し、段階的に構築することによって複雑なオブジェクトまたはエンティティを作成するこの手法、または単に「アディティブ」メソッドを説明するために使用される他の用語です。 この注目に値する技術は、XNUMX年に正式に発見されてからXNUMX年が経ちましたが、プロトタイプを作成するだけでなく、本格的な機能コンポーネントを提供する手段として脚光を浴び、人気を博しています。 これが可能性の可能性です 3D 現在、エンジニアリング、製造、医療を含む多くの分野で大きな革新を推進していることを印刷しています。
最終的な最終結果を達成するために同じ手順に従うさまざまなタイプの積層造形法が利用可能です。 最初の重要なステップでは、デジタル設計図と呼ばれるコンピューター上のCAD（コンピューター支援設計）ソフトウェアを使用して設計を作成します。 このソフトウェアは、最終的な構造がどのようになり、動作するかを予測できるため、この最初のステップは、良好な結果を得るために不可欠です。 次に、このCADデザインは、3Dプリンターがデザインの指示を解釈できるようにするために必要な技術形式（.stlファイルまたは標準テッセレーション言語と呼ばれる）に変換されます。 次に、実際の印刷用に3Dプリンターをセットアップする必要があります（通常の家庭用またはオフィス用の2Dプリンターと同様）。これには、サイズと向きの構成、横向きまたは縦向きの印刷の選択、プリンターカートリッジへの適切な粉末の充填が含まれます。 。 The 3Dプリンタ 次に、印刷プロセスを開始し、一度に0.1つの微細な材料層のデザインを徐々に構築します。 この層は通常、厚さが約XNUMXmmですが、印刷される特定のオブジェクトに合わせてカスタマイズすることもできます。 手順全体はほとんど自動化されており、物理的な介入は必要ありません。正しい機能を確認するための定期的なチェックのみが必要です。 デザインのサイズと複雑さにもよりますが、特定のオブジェクトが完了するまでに数時間から数日かかります。 さらに、これは「付加的な」方法であるため、経済的で環境に優しく（無駄がなく）、設計の範囲も大幅に広がります。
次のレベル：3Dバイオプリンティング
バイオプリンティング は、従来の3D印刷を拡張したものであり、最近の進歩により、3D印刷を生物学的生物材料に適用できるようになりました。 3Dインクジェット印刷は、高度な医療機器やツールの開発と製造にすでに使用されていますが、生体分子を印刷、表示、理解するためのステップをさらに開発する必要があります。 決定的な違いは、インクジェット印刷とは異なり、バイオプリンティングは生細胞構造で構成されるバイオインクに基づいていることです。 したがって、バイオプリンティングでは、特定のデジタルモデルが入力されると、特定の生体組織が印刷され、細胞層ごとに構築されます。 生体の非常に複雑な細胞成分のために、3Dバイオプリンティングはゆっくりと進行しており、材料、細胞、因子、組織の選択などの複雑さは、追加の手順上の課題を提起しています。 これらの複雑さは、生物学、物理学、医学などの学際的な分野の技術を統合することで理解を広げることで対処できます。
バイオプリンティングの大きな進歩
に掲載された研究では 高度機能材料、研究者は、自然組織（本来の環境）に通常見られる細胞や分子を使用して、「実際の」生物学的構造に似た構造やデザインを作成する3Dバイオプリンティング技術を開発しました。 この特定のバイオプリンティング技術は、「分子の自己組織化」と「3Dプリンティング」を組み合わせて、複雑な生体分子構造を作成します。 分子の自己組織化は、分子が特定のタスクを実行するために独自に定義された配置を採用するプロセスです。 この技術は、「3Dプリンティング」が提供する「構造的特徴の微視的および巨視的制御」と「分子の自己組織化」によって可能になる「分子およびナノスケールの制御」を統合します。 これは、分子の自己組織化の力を使用して、印刷されている細胞を刺激します。これは、通常の「3D印刷インク」がこの手段を提供しない場合、3D印刷の制限です。
研究者らは、体内の本来の環境に似た「バイオインク」に構造を「埋め込み」、その構造が体内と同じように動作できるようにした。自己組織化インクとも呼ばれるこのバイオ インクは、印刷中および印刷後の化学的および物理的特性を制御または調整するのに役立ち、それに応じて細胞の挙動を刺激することができます。応用時のユニークな仕組み bioprinting これらの細胞が環境内でどのように機能するかを観察できるため、実際の生物学的シナリオのスナップショットと理解が得られます。 複数のスケールで明確に定義された構造に組み立てることができる複数のタイプの生体分子を印刷することにより、3D生物学的構造を構築する可能性を高めます。
未来はとても希望的です！
バイオプリンティングの研究はすでにさまざまな種類の組織を生成するために使用されているため、移植に適した組織や臓器（皮膚、骨、移植片、心臓組織など）の必要性に対処するための組織工学や再生医療にとって非常に重要です。複雑で特定の細胞環境などの生物学的シナリオを設計および作成するための幅広い可能性を開き、体内の組織に類似または模倣するオブジェクトまたは構造をデジタル制御下で分子精度で実際に作成することにより、組織工学の繁栄を可能にします。 生体組織、骨、血管、そして潜在的および臓器全体のモデルは、医療処置、トレーニング、テスト、研究、および創薬イニシアチブのために作成することが可能です。 カスタマイズされた患者固有の構成の非常に特定の世代は、正確で、的を絞った、個別化された治療法の設計に役立ちます。
一般的なバイオプリンティングおよび3Dインクジェット印刷の最大の障害の3つは、適切なデザインまたは青写真を作成するという印刷の最初のステップでの課題に対応するための高度で洗練されたソフトウェアの開発です。 たとえば、生きていないオブジェクトの青写真は簡単に作成できますが、肝臓や心臓などのデジタルモデルを作成する場合、ほとんどのマテリアルオブジェクトのように、挑戦的で単純ではありません。 バイオプリンティングには確かに多くの利点があります–正確な制御、再現性、個々の設計ですが、それでもいくつかの課題に悩まされています–生活環境は動的で静的ではないため、空間構造に複数の細胞タイプを含めることが最も重要です。 この研究はXNUMXDバイオプリンティングの進歩に貢献しており、その原理に従うことで多くの障害を取り除くことができます。 バイオプリンティングの本当の成功には、いくつかの側面が付随していることは明らかです。 バイオプリンティングを強化できる最も重要な側面は、関連性のある適切な生体材料の開発、印刷の解像度の向上、およびこの技術を臨床的にうまく適用できるようにするための血管新生です。 バイオプリンティングによって人間の移植のために完全に機能し実行可能な臓器を「作成」することは不可能に思えますが、それにもかかわらず、この分野は急速に進歩しており、わずか数年で多くの開発が最前線にあります。 研究者や生物医学エンジニアはすでに複雑なバイオプリンティングの成功への道を進んでいるため、バイオプリンティングに伴う課題のほとんどを克服することは達成可能であるはずです。
バイオプリンティングに関するいくつかの問題
バイオプリンティングの分野で提起された重要なポイントは、この段階では、この技術を使用して患者に提供される生物学的「個別化」治療の有効性と安全性をテストすることはほとんど不可能であるということです。 また、そのような処理に関連するコストは、特に製造に関しては大きな問題です。 人間の臓器に取って代わる機能的な臓器を開発することは非常に可能ですが、それでも、現在、患者の体が新しい組織または生成された人工臓器を受け入れるかどうか、そしてそのような移植が成功するかどうかを評価する確実な方法はありません。全て。
バイオプリンティングは成長市場であり、組織や臓器の開発に焦点を当て、おそらく数十年以内に3Dプリントされた人間の臓器や移植で新しい成果が見られるでしょう。 3D bioprinting これからも、私たちの生涯で最も重要で関連性のある医療開発であり続けます。
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ソース
HedegaardCL2018。ペプチド-タンパク質バイオインクの流体力学的にガイドされた階層的自己組織化。 高度機能材料. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
