音を使用した生体内3Dプリンティング

May, 22, 2025, Passadena--鼓動する心臓の中で、組織の修復に必要な細胞を必要な場所に正確に届けることができる小型カプセルを、医師が精密に印刷できたらどうなるか。カリフォルニア工科大学（Caltech）が率いる科学者チームは、この究極の目標に向けて大きな一歩を踏み出し、生きた動物の体内の深部にある特定の場所にポリマーを3Dプリントする方法を開発した。この技術は音波を用いて位置を特定し、既に選択的な薬剤送達のためのポリマーカプセルや、体内の傷を塞ぐ接着剤のようなポリマーの印刷に利用されている。

これまで、科学者たちは赤外線を使用して、生きた動物内のポリマーの基本単位（モノマー）を結合させる重合反応を誘発してきた。「しかし、赤外線の透過性は非常に限られている。皮膚のすぐ下までしか届ない」と、Caltechの医用工学教授であり、ヘリテージ医学研究所の研究員でもある、Wei Gao氏は言う。「われわれの新しい技術は深部組織に到達し、優れた生体適合性を維持しながら、幅広い用途に使用できるさまざまな材料を印刷することができる」。

ガオ氏と彼の同僚は、この新しい生体内3Dプリンティング技術をScience誌に発表した。この論文では、薬物および細胞送達用の生体接着ゲルおよびポリマーに加え、この技術を用いた生体電気ハイドロゲルの印刷についても説明している。生体電気ハイドロゲルは、心電図（ECG）などの生理学的バイタルサインの体内モニタリングに用いられる、導電性材料を埋め込まれたポリマーでである。本研究の筆頭著者は、ユタ大学機械工学科助教授のElham Davoodi氏で、同氏はカリフォルニア工科大学でポスドク研究員として研究を遂行しました。

斬新なアイデアの起源
深部組織への生体内プリンティングを実現する方法を見つけ出そうと、Gao氏と彼の同僚たちは、バイオメディカルの深部組織への浸透に広く用いられているプラ​​ットフォームである超音波に着目した。しかし、彼らは特定の場所で、そして必要な場合にのみ、架橋、つまりモノマーの結合を引き起こす方法を必要としていた。

研究チームは、超音波と低温感受性リポソームを組み合わせるという斬新なアプローチを考案した。このようなリポソームは、保護的な脂肪層を持つ球状の細胞様小胞で、薬物送達によく用いられる。今回の研究では、研究者たちはリポソームに架橋剤を充填し、印刷したいポリマーのモノマー、架橋が起こったタイミングを明らかにする造影剤、そして送達したい薬剤（例えば治療薬）を含むポリマー溶液に埋め込みました。細胞や、カーボンナノチューブや銀などの導電性材料などの追加成分を加えることも可能である。この複合バイオインクは、体内に直接注入されます。

ほんの少し温度を上げるとプリンティングが始まる
リポソーム粒子は低温に敏感であるため、集束超音波を使用して小さな標的領域の温度を約5℃上げるだけで、粒子の放出を促し、ポリマーの印刷を開始することができる。

「温度を数℃上げるだけで、リポソーム粒子は架橋剤を放出する」とGao氏は述べている。「架橋剤が放出された場所で、局所的な重合、つまり印刷が起こる」。

研究チームは、バクテリア由来のガスベクシルを造影剤として使用しています。このガスベクシルは、空気で満たされたタンパク質のカプセルで、超音波画像で強く映し出され、液体モノマー溶液が架橋してゲルネットワークを形成する際に起こる化学変化に敏感である。変化が起こると、実際にコントラストが変化し、超音波画像で検出される。これにより、科学者は重合架橋がいつ、どこで起こったかを容易に特定することができ、生きた動物に印刷したパターンをカスタマイズすることが可能になる。

研究チームはこの新技術を「深部組織生体内サウンドプリンティング（DISP）プラットフォーム」と名付けています。

研究チームがDISPプラットフォームを用いて、マウスの膀胱腫瘍の近くに化学療法薬であるドキソルビシンを充填したポリマーを印刷したところ、薬剤溶液を直接注入したマウスと比較して、数日間にわたり腫瘍細胞の死が大幅に増加した。
る
「われわれはすでに、腫瘍治療用の薬剤充填ハイドロゲルを印刷できることを小型動物で実証している」とGao氏は述べている。「次の段階は、より大きな動物モデルでの印刷を試みることである。また、近い将来、ヒトでこれを評価できることを期待している」。

研究チームはまた、機械学習によってDISPプラットフォームの集束超音波の正確な位置特定と適用能力を強化できると考えている。「将来的には、AIの助けを借りて、鼓動する心臓などの動く臓器内で高精度の印刷を自律的に開始できるようにしたいと考えている」とGao氏は語る。

また、機械学習により、集束超音波を正確に特定して適用するDISPプラットフォームの能力を強化できると考えている。「将来的には、AIの力を借りて、心臓の鼓動のような動く臓器内で高精度のプリンティングを自律的に開始できるようにしたいと考えてい．」と、Gao氏は、話している。