バイオプリンティングの骨と筋肉:移植の未来を形作っているインクジェット・セル・プリンター

WFIRMのバイオプリンタによって印刷された耳と顎の骨片。

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14年前、ほとんどの企業は、プラスチックや金属のような素材でオブジェクトを印刷することを実験しただけでなく、3D印刷についても聞いていませんでした。しかし、ある研究所ではすでに、より複雑な材料、すなわち人間の組織のために独自の3Dプリンタを構築するための基盤を築いていました。

組織や臓器の移植は、数十年間、病気や傷害を受けた患者、例えば火傷の犠牲者のための皮膚移植、または破裂した靭帯を置き換えるための膝蓋腱片の使用を助けるために医学で使用されてきた。典型的には、それらはドナーから来たか、または患者の体の健康な部分から損傷部分に移されたが、Wake Forest for Regenerative Medicine(WFIRM)の科学者は、いつかはプロトタイプのプリンターを開発した。人のユニークな条件に合う。

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当初、WFIRMの研究者は、手で細胞からヒト組織を構築する作業を開始しました。最初の細胞は、生検を介して患者から取り除かれた。そこでは、少数の組織サンプルが外科医に診断された後、培養されて数を増やすのに役立つ。細胞を足場に置き、インキュベーターに入れ、組織が所望の構築物に成長したら、患者に戻す。それは労働集約的なプロセスであり、人間の患者に使用するのに十分ではなかった組織をもたらしたものでした。

「私たちは移植のために患者の組織や器官を研究していましたが、既に患者にカップルを1組入れていましたが、臨床試験のためにいくつか作成していれば、 WFIRMでの研究を率いているアンソニー・アタラ博士がウェブサイトに語ったところによると、数十万人の患者にとって、あなたはそれをスケールアップする必要があります。

職場のITOPシステム。

WFIRMの研究者は、数年後に組織を作るためにプリンタを使用するという考え方に打ちましたが、商業的な3D印刷はまだまだ幼少期であり、研究者は既存のデスクトップ型インクジェットプリンタを採用するという、より広範な技術を試していました。

細胞をプリンタのインク溜めに入れ、次いで特定の方法で出力して所望の組織構築物を作製した。

その後も商業用3Dプリンタが普及してきましたが、WFRIMの研究者は人間の組織特有の性質のために、インクセットシステムに基づいて独自のハードウェアを開発しなければなりませんでした。

「我々は、インクジェットプリンタを使って実験を開始し、どのように機能させることができるかを見てみた。ヒドロゲルを通して細胞を得ることができたが、細胞を置いた場所で精度を得ることができなかった。構造体は外科的に移植するのに必要な構造的完全性を有していなかった。我々は達成することができるより洗練された印刷に着目し、基本的に独自の印刷装置を構築することから始めた。

例えば、統合組織と器官印刷システム(ITOP)として知られているWFIRMシステムは、非常に高精度で、人間の髪の毛のサイズの約8倍の精度で約2ミクロンの構造を印刷することができなければなりませんでした。

さらに、多くの3D印刷物は直接押し出すことができますが、セルはゲルで保護されて出力されます。 「細胞を損傷することなく細胞を寝かせておくことは非常に重要です。死に至る細胞を使い始める前に製品を完成させても機能しないので、重要です。

適切なサイズと形状の組織を構築するためには、CTやMRIスキャンなどの伝統的な医療技術を使用して、構造が配置される領域を3次元でスキャンし、WFIRMのプリンタは、本物のために印刷されています。

このシステムは、細胞を含むヒドロゲルを印刷するだけでなく、組織に形状を与えるために使用される「プラスチック様材料」としてWFIRMが記述した構造をプリントアウトする。

「我々はまた、強度と構造的な完全性をもたらすバイオインシュリンクのシステムを組み立てて、軟質で、硬く、柔らかく、硬く、相互に再結合するバイオインクを作り出します。交互の柔らかい材料と硬い材料はリンカーンログと同様に敷設され、外科的に埋め込まれるのに十分耐えられる構造になっています。

構造物はまた、栄養素が新しい組織に流れ込むことを可能にするために、小さなマイクロチャネルを含むように構築される。過去には、造影剤を使わずに組織を作製することは、構造体が200ミクロンまたは0.007インチの非常に小さいサイズに過ぎないことを意味していました。その大きさと栄養素は、組織内のすべての細胞に到達することはできません。アタラと彼のチームは、マイクロチャネルを追加することによって回避しています。

アタラのチームは、人間の耳の小さなバージョンである約1.5インチのサイズの組織構造を作りました。その構造は、移植後1〜2ヶ月後にその外側の領域に血管新生の徴候を示した。これは、原生軟骨に見られるのと同様のパターンである。それは、組織が移植された身体が、組織をそれ自身のものとして扱い始め、組織が生存して患者に長期間統合するために必要とする血管を成長させたことを意味する。

今のところ、研究者は筋肉、軟骨、および骨組織の3D印刷部分を非常に異なる強度で有しており、印刷された組織をヒト患者に入れる前に必要な前臨床試験を開始しています。

この技術の用途は、皮膚を火傷にバイオプリントすること、または傷害部位に直接創傷をかぶることです。潜在的に、ITOPシステムは、ヒト患者への移植のための部分的な臓器を作製することさえ可能である。

3D印刷

「これで、人間のスケールである組織構造を作り出すことができます」とAtala氏は述べています。

工学の面では、私たちは皮膚のような平坦な構造を作ることができました。そして、それらは最も複雑ではありません。管状構造は、血管のような複雑さの第2レベルである。胃や膀胱のような中空の非管状の器官は、複雑さの第3レベルであり、頑丈な器官は最も複雑である – 心臓、肝臓、肺。それは印刷のために同じになるだろうが、私たちが将来必要とするものを達成するという点で、最も複雑でない複雑な戦略と同じ種類の戦略になるだろう。

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