バイオプリンティングとは？

バイオプリンティングは、臓器を作成するための細胞と組織のコンピューター支援製造と定義できます。細胞と生体材料を 1 層ずつ重ねて印刷することにより、3D 組織のような構造を生成します。

私は子供の頃、非常に不注意に遊んでいて、常に転んで怪我をしていました。母はよく私を叱っていました。

冗談は彼女にかかっています。自分の体のパーツを 3D プリントできるようになったからです!

3D プリントは建築家がミニチュアのプロトタイプを作成することから始まりましたが、現在では建設、製造、物流などの分野で 3D プリントが使用されています。 この技術は、細胞、組織、または臓器の印刷にも使用できますか? <デル>

はい 、可能であり、この刺激的な分野はバイオプリンティングとして知られています。

3D プリントとは

3D プリントは、 を使用して 3 次元のデジタル ファイルを物理的な形に変換するプロセスです。 「印刷インク」。印刷物の一種であるこの「インキ」を何層にも重ねていきます。素材のレイヤーを追加することで、デザイナーは複雑な構造と形状を作成できます。 <デル>

バイオプリンティングは、3D プリンティングを有機的に拡張したもので、生きている組織や臓器を印刷します。細胞は互いに重なり合い、3D の生物学的構造が得られます。目的の組織/臓器は、コンピューター支援ソフトウェアを使用して設計され、その後、実際に印刷されます。

3D バイオプリントされた組織は、微小血管ネットワークや細胞をつなぐ細胞接合部など、細胞の細部が非常に細かく、私たちの生きている組織や臓器に非常に似ています。これらの微視的な詳細でさえ、正確にバイオプリントできます。

印刷された構造は、組織のリモデリングを受け、バイオリアクターとして知られる特殊な容器で成熟させられます。成熟すると、これらの臓器は血流に耐えることができます.

バイオプリンティングは、臓器不足と移植の問題に対する最も革新的なソリューションです。 (写真提供:Alena Che/Shutterstock)

バイオプリンティングはどのように行われますか?

バイオプリンティングのプロセスには、次の 4 つの基本的な手順が含まれます。

3D バイオプリンティング プロセスのフローチャート。

組織エンジニアは、健康な体の部分をスキャンしてデジタル デザインを作成します。必要な情報に応じて、CT (コンピュータ断層撮影) や MRI (磁気共鳴画像) スキャンなどの画像技術が使用されます。

臓器がレシピエントと密接に一致することが重要です。コンピュータ支援ソフトウェアを使用して、組織を正確にモデル化します。このソフトウェアは、3D プリンターがレプリカを作成するための一連の指示を生成します。

印刷されるティッシュに基づいて、印刷材料が選択されます。従来のプリンターがインクカートリッジを必要とするのと同様に、バイオプリンターは特殊なタイプのバイオインクを使用します。バイオインクには、幹細胞などの生きた細胞が含まれており、細胞が生き続けるのに適した環境 (水、酸素、栄養素) を提供するマイクロゲルと混合されています。

ひどい火傷を負い、ひどい火傷を負っている患者を考えてみましょう。間葉系間質細胞と呼ばれる幹細胞は、その患者の焼けた皮膚を再生するために使用されるバイオインクかもしれません.

バイオプリンティングするオブジェクトがスキャンされ、プリンターの指示が生成され、バイオインクが選択されると、バイオプリンティングの実際のプロセスを開始できます。

選択した組織/臓器および材料に基づいて、適切なバイオプリンティング戦略が決定されます。これには 3 つのアプローチがあり、この記事の後半で概説します。

バイオプリントされた組織/器官はバイオリアクターで培養され、組織/器官が通常生きている環境を刺激します。バイオリアクターで時間を過ごした後、臓器は移植や研究作業に使用できます。このステップは、組織/器官の複雑さに依存し、常に必要なわけではありません.

バイオプリントされた耳と鼻 (写真提供:Adrian Mars/Shutterstock)

3D プリントへのアプローチ

バイオプリンティングには 3 つのアプローチがあります:

1. バイオミミクリー :このアプローチでは、複製される部分が足場の周りにバイオプリントされます。ここでの考え方は、形状や構造がオリジナルと同じであれば、身体部分の機能を複製できるということです。このアプローチを使用してバイオプリントされた組織は、さらに成熟させるためにバイオリアクターが必要です。

2. 自律的な自己組織化: このアプローチでは、胚器官の発達が起こり、続いて組織が複製されます。ここでの考え方は、正しい胚の要素が整っていれば、足場を必要とせずに自然な発達が続くということです.細胞と支持構造は自己組織化し、互いに相互作用して最終的な身体部分を形成します。最初の生物学的血管は、このアプローチを使用してバイオプリントされました.

3. ミニティッシュ: このアプローチは、他の 2 つの組み合わせです。これらの「ミニ組織」は、組織の構造的および機能的単位であり、このようなミニ組織はバイオインクに追加され、印刷されます。

ミニ組織には、500 ～ 10,000 個の細胞があり、特定の条件下で培養されており、それらが生きて互いに接着することができます。これらの培養細胞がバイオインクを構成します。

ミニ組織の多くの層が一緒にバイオプリントされ、その後自己組織化して標的器官になります。

3 つのバイオプリンティング技術

3 つの異なるバイオプリンターとその印刷方法。

インクジェットバイオプリンターは、最も一般的に使用されているタイプのプリンターです。これらは、従来の 2D インクジェット プリンターと非常によく似た方法で機能し、必要な量のバイオインクが基板の事前に定義されたスポットに放出されます。

インクジェット バイオプリンターは、ほとんどの場合、熱 (200 ～ 300°C) を使用して圧力バーストを生成し、バイオインクをプリンター ノズルから液滴の形で押し出します。別のタイプのインクジェット バイオプリンターは、圧電圧力を使用してパルスを生成します。

水晶やセラミックなどの特定の圧電素子は、電荷が印加されると圧縮して曲がり、正確な量のバイオインクを転写先基板に絞り出します。

マイクロエクストルージョン 3D バイオプリンターは、高圧によって表面が平らになる小さなビーズの形で生物学的材料を印刷します。このようにして、3D 構造が最終的に生成されるまで、各層が次の層のベースとして機能するビーズの連続層を印刷します。

レーザー プリンターは、細胞、レーザー、受容基板などの生物学的材料でコーティングされた金属リボンを利用し、通常はレーザー吸収材料で覆われたガラスです。

レーザーは、金属リボン上の生物学的物質を蒸発させ、その後、受信基板上に液滴の形で流れます。この受容基質は細胞を支え、細胞の増殖を可能にします。

学術機関は、マイクロ押出を使用するバイオプリンターが最も経済的であるため、これらのプリンターを好みます (写真提供:Crevis/Shutterstock)

さまざまな種類のバイオプリンティングと、上記の各バイオプリンターを使用する利点について詳しく知りたい場合は、こちらとこちらの記事を参照してください。

結論

バイオプリンティングは、ヘルスケア分野に革命をもたらしました。患者の細胞サンプルを培養して、組織や臓器の 3D プリントに使用できる個別化されたバイオインクを作成できるようになりました。これらの細胞は臓器を受け取る患者から採取されるため、臓器移植の拒絶反応の可能性は非常に低くなります.

バイオプリントされた臓器は薬物検査にも使用できるため、動物実験の使用を減らすことができます。

バイオプリンティングは、組織/臓器を製造するための経済的で正確かつ比較的簡単な方法であり、ドナー臓器の不足とドナー拒絶の問題を一気に解決します。

この技術の改善点は、プロセスの実現可能性、速度、アクセシビリティ、毒性、および生体適合性ですが、未来は明るく見えます!