Hollister Labが軟部組織工学用の3Dプリンティングを開発

January, 19, 2024, Atlanta--ジョージア工科大学(Georgia Tech)の研究者、Scoot Hollisterの研究室で作くられた3Dプリントされた医療機器により、今年は家族と一緒にホリデーを祝う幼い子供たちがいる。
Hollisterと共同研究者は、10年以上にわたり、まれな先天性欠損症の赤ちゃんのために、命を救う患者専用の気道スプリントを開発してきた。

これらのパーソナライズされた気道確保装置は、ポリカプロラクトン(PCL)と呼ばれる生体適合性ポリエステルでできており、食品医薬品局(FDA)によって承認されているという利点がある。研究者は、選択的レーザ焼結を使用して粉末ポリエステルを加熱し、固体構造として結合する。PCL製のデバイスは、患者に埋め込まれたときに優れた安全性を記録している。

残念なことに、PCLは比較的硬く直線的な機械的特性を持つという欠点があり、この有望な生体材料は、軟部組織工学など、他の重要な生物医学的ニーズにはまだ機能的に適用されていない。硬い熱可塑性プラスチックを、柔軟性があり、患者とともに成長できるものにするにはどうすればよいか。Hollisterラボは、その方法を見つけ出したのである。

「3Dオーゼティックデザイン」。軟部組織工学のためのPCLの3Dプリンティングの成功を実証したチームの最近の研究リーダー、Hollister ラボ研究科学者、Jeong Hun Parkはコメントしている。オーゼティック材料は、典型的な一般的弾性体とは異なり、負のポアソン比を持つ。つまり、オーゼティック材料を縦方向に伸ばすと横方向にも広がるが、それに対してほとんどの材料は横方向に薄くなる(正のポアソン比を持つからである)。

したがって、オーゼティック構造は両方向膨張が可能であり、体や部品が時間の経過とともにサイズや形状が変化し、多くの異なる質感や密度で構成される人間の生物医学的応用を検討する際に有用である。Hollisterチームは、通常固いPCLにいくつかの新しい補助特性を与えることに着手した。

「3D構造の機械的特性と挙動は、基材(この場合はPCL)の固有の特性に依存するが、内部アーキテクチャ設計によって大幅な調整も可能である」(Park)。

Parkは、直角に配置された小さな支柱で構成された3Dプリント構造の設計を指導した。研究チームはまず、立方体の構造物を作成し、オーゼティック設計の柔軟性、強度、透過性をテストした。

柔軟な挙動
基本的にオーゼティック材料は、単位セルを組み立てて設計されたネットワーク構造である。これらの単位セルは、支柱とその交差する関節で構成されており、オーゼティックデバイスの動作の重要な側面である。ネットワーク内で交差するジョイントが圧縮または伸長下で回転すると、負のポアソン動作が発生する。また、衝撃エネルギー吸収、耐圧痕性、高い柔軟性など、プリントされたデバイスの高度な性能も実現する。

ジョージア工科大学とエモリー大学のWallace H. Coulter生物医学工学科の教授で、小児技術のPatsy and Alan Dorris Chairも務め、トランスレーショナルリサーチの副委員長を務めるHollisterは、「Jeong Hunの研究に基づく数字を見ると、新しい構造は、われわれの研究室でPCLから作製されている典型的な固体構造よりも約300倍柔軟である」とコメントしている。

Parkによると、この研究の最終目標は「この構造を応用して、本来の乳房組織に匹敵する生体力学的特性を持つ乳房再建インプラントを開発する」ことであるため、デバイスの柔軟性と強度の組み合わせが特に重要になる。現在、臨床現場では生分解性豊胸手術の選択肢はない。

同氏は、これらの生分解性乳房再建インプラントが一種のスカフォールドとして機能すると説明している。生体適合性材料(PCL)は、最終的に分解されて体内に吸収されるが、天然の乳房組織と同様の機械的特性が維持される。

「われわれは、まず天然組織が生分解性インプラントの細孔に浸潤すると見ている。インプラントが劣化するにつれて、インプラント内の組織体積が増加し、インプラントが完全に劣化した後、最終的にはデバイス自体が組織に置き換わる」(Park)。

セルラーネットワークの拡張
基本的に、3Dプリントされたブレストインプラントは、新しい組織の成長を促進しながら、再建サポートを提供するように設計されている。

これらの小さなストラット間のスペースは、大型のデバイスに大きな違いをもたらし、他の方法では不可能だった柔らかさとしなやかさを与える。これらの空間は、最終的に細胞や組織の成長を促進するのに役立つハイドロゲルで満たすことができる。

このチームの設計されたオーゼティクスには、ストラット内側の空隙や空間デザインも含まれる。これは、酸素、栄養素、代謝物の大量輸送を可能にする一種の微細孔性を作り出し、細胞ネットワークの拡大と成長を促進する。

Parkは、Emory外科医Angela Chengと協力して、ブレストインプラントのさらなる研究とテストのための助成金を提出している。また、チームはすでにこの技術を他の用途にも応用している。例えば、この研究の共同研究者の1人は、エモリー大学の研究室で心臓再生を専門とするMike Davis。

「柔軟性が高いため、梗塞や壊死した心筋組織の再建に使用されている」(Hollister)。

さらに、Parkは小児用気管スプリントの補助バージョンを開発した。「この設計では、2つの方向に拡張できるという利点がある。したがって、幼い患者が成長するにつれて、新しいデバイスも一緒に成長していく」と説明している。

(詳細は、https://news.gatech.edu)