軟質ヒドロゲルまたは「バイオインク」に細胞を混合して生体組織を印刷する 3D バイオプリンティングは、体内の組織をモデリングしたり置き換えたりする目的で、生物工学の分野で広く使用されています。ただし、組織の印刷と再構築の品質は課題に直面する可能性があります。最も重大な課題の 1 つは、単純に重力によって引き起こされます。細胞は周囲のヒドロゲルよりも重いため、バイオインク押し出しプリンターのノズルの底に自然に沈みます。
「この細胞定着は、大きな組織を印刷するために必要な長時間の印刷セッション中に悪化し、ノズルの詰まり、不均一な細胞分布、印刷された組織間の不一致を引き起こします」と、MIT 組織工学のユージン ベル キャリア開発教授兼機械工学助教授のリトゥ ラマン氏は説明します。 「バイオインクをプリンターに装填する前に手動で混合したり、パッシブミキサーを使用したりするような既存のソリューションでは、印刷が始まると均一性を維持できません。」
2月2日にジャーナルに掲載された研究では デバイスラマン氏のチームは、印刷中のバイオ染料内での細胞の沈降を防止することでこの核となる制限を解決することを目的とした新しいアプローチを提案し、より信頼性が高く生物学的に一貫した 3D 印刷組織を可能にします。
「バイオインクの物理的および生物学的特性を正確に制御することは、天然の組織の構造と機能を再現するために不可欠です」と、MITの機械工学博士研究員であり、この研究の筆頭著者であるフェルドウズ・アフガー氏は言う。
「私たちの体内の組織をより厳密に模倣した組織を印刷できれば、それをモデルとして使用して、人間の病気についてさらに理解したり、新しい治療薬の安全性と有効性をテストしたりすることができます」とレマン氏は付け加えた。このようなモデルは、研究者が動物実験などの手法から脱却するのに役立ち、新しい治療経路の安全性と有効性を確立するための、より速く、より安価で、より有益な新しいアプローチの開発に対する米国食品医薬品局の最近の関心を裏付けています。
「最終的には、体内の病気や損傷した組織を、健康な機能の回復に役立つ3Dプリント組織で置き換えるなど、再生医療への応用に向けて取り組んでいます」とラマン氏は言う。
磁力で作動するミキサーである MagMix は 2 つの部分で構成されています。1 つはバイオプリンターが 3D 組織にバイオインクを層ごとに堆積するために使用するシリンジに挿入される小さな磁気プロペラ、もう 1 つはシリンジの近くで上下に動き、内部のプロペラの動きを制御するモーターに接続された永久磁石です。このコンパクトなシステムを組み合わせると、標準的なバイオ 3D プリンタに取り付けることができ、バイオ インクの配合を変更したり、プリンタの通常の動作を妨げたりすることなく、印刷中にバイオ インクの均一な混合を維持できます。このアプローチをテストするために、チームはコンピューター シミュレーションを使用して混合プロペラの最適な形状と速度を設計し、実験でその性能を検証しました。
「複数の種類のバイオインクにわたって、MagMix は 45 分間以上の連続印刷で細胞の沈降を防ぎ、目詰まりを軽減し、高い細胞生存率を維持しました」と Raman 氏は言います。 「重要なのは、混合速度を調整して、細胞へのストレスを最小限に抑えながら、さまざまなバイオインクの効果的な均質化のバランスを取ることができることを示したことです。概念の実証として、数日以内に筋肉組織に成熟できる細胞を MagMix を使用して 3D プリントできることを実証しました。」
MagMix は、長時間または複雑な印刷ジョブ全体にわたって均一な細胞分布を維持することにより、より一貫した生物学的機能を備えた高品質の組織の生産を可能にします。このデバイスはコンパクトで安価でカスタマイズ可能で、既存の 3D プリンタに簡単に統合できるため、疾患モデリング、薬物検査、再生医療など、人間の健康用途向けに再現可能な人工組織の開発に取り組んでいる研究室や業界に広くアクセス可能なソリューションを提供します。
この研究は、マサチューセッツ工科大学の安全・健康・環境発見 (SHED) 研究所によって部分的に支援されました。SHED 研究所は、バイオ製造のイノベーションを研究室規模のデモンストレーションから拡張可能なアプリケーションに変換するのに役立つインフラストラクチャと学際的な専門知識を提供します。
「SHED では、革新的な手法を研究者が確実に採用できる実用的なツールに変換することを加速することに重点を置いています」と SHED の創設ディレクター、トルガ デュラックは述べています。 「MagMix は、技術インフラストラクチャと学際的なサポートを適切に組み合わせることで、バイオ製造技術を拡張可能な現実世界への影響にどのように移行できるかを示す強力な例です。」
SHED の関与は、高度な機器への公平なアクセスを提供し、学際的な協力を促進することにより、工学および生命科学全体の再現性とアクセスしやすさを向上させる技術経路を強化するという、より広範なビジョンを反映しています。
「この分野がより大規模でより標準化されたシステムに移行する中、持続可能な能力を構築するにはSHEDのような統合研究所が不可欠です」とデュラック氏は付け加えた。 「私たちの目標は、発見を可能にするだけではなく、新しいテクノロジーを確実に採用し、長期にわたって確実に維持できるようにすることです。」
同チームは、印刷された筋肉を使用してより安全で効率的な「バイオハイブリッド」ロボットに電力を供給するなど、人工組織の非医療用途にも関心を持っている。
研究者らは、この研究により 3D バイオプリンティングの信頼性と拡張性が向上し、3D バイオプリンティングの分野と人間の健康に重大な影響を与える可能性があると考えています。彼らの論文「Advancing Bioink Homogeneity in Extrusion 3D Bioprinting with Active In Situ Magnetic Mixing」がジャーナルに掲載されました。 デバイス。
