TU/e、光による生体組織の3Dプリンティングが飛躍

April, 3, 2025, Eindhoven--TU/eの研究者Lena StoeckerとMiguel Dias Castilhoによる画期的な研究により、形状が変化する組織の3Dプリントが可能になった。

Xolographyは、歯科用製品や宇宙製造で探求されてきた新しい光プリンティング技術である。TU/eでは、この技術を3Dプリントの生細胞に応用している。この研究は、3Dプリントされた腎臓と筋肉組織への道を開く可能性がある。チームは、Xolographyベースの方法を開拓し、人間の細胞とほぼ同じサイズである20µmという小さな特徴を持つ微小構造を作成した。この成果は、Advanced Materials 誌に掲載された。

Xolographyは、3Dプリントされた心臓と腎臓の未来を可能にする技術なのか?
「残念ながら、これは今のところ完全に憶測に過ぎない」とMiguel Dias Castilhoは期待を和らげる。
「今のところ、われわれはこの技術をまだハッカースペースと見なしている」このパイオニア精神は、初期のティッシュプリントのプロトタイプであるプリンタに完全に反映されており、その薄いオレンジ色のアクリルケースは、ワイヤー、プロジェクタ、銅コイル、および小さなデジタルディスプレイの内部を明らかにする。

今のところは憶測に思えるかもしれないが、スーツケースサイズのオレンジ色の3Dプリンタで生体組織を詳細かつ超高速にプリントすることは、完全に現実のものである。「われわれの研究は、組織工学の未来に必要な第一歩である。現在、細胞培養に生理学的により関連性の高い3D環境をプリントでき、長期的には、3Dプリントされた臓器の実現に役立つ可能性がある」(Dias Castilho)。

光によるティッシュプリンティング
機械の中心には、まるで魔法のように固体に変化する液体が入った小さなキュベットがある。しかし、Dias Castilhoが新たに開発したバイオマテリアルエンジニアリング・バイオファブリケーショングループのPh.D Lena Stoeckerは、魔法の杖を振る代わりに、液体に光線を投影し、細胞が持つ生存可能な形状を呼び起こす。

Stoeckerは、Xolographyと呼ばれる新しい3Dプリンティング技術を生体材料のプリントにうまく適応させた。Stoeckerは、液体が入ったキュベットを中に入れてプリンタのデモンストレーションを行いながら、ティッシュペーパーの3Dプリントに惹かれた理由を次のように説明している。
「われわれは主にプロトタイピングと少量生産のツーリングに3Dプリンティングを採用していたが、(ほぼ)どんなアイデアでも実現できる技術の可能性に魅了された。」

生物医学的な課題
Stoeckerが組織工学に引き寄せられたのは当然のことであり、それは本質的に分子生物学者、エンジニア、デザイナーの専門知識を組み合わせた学際的な分野だからである。

世界中の組織エンジニアが直面している最大の三重課題は、細胞の自然環境によく似た生存可能な3D組織を迅速に作成し、正確に行うことである。これが至高の目標である。「医用生体工学のための3Dプリンティングが大々的に宣伝されたが、技術は高い期待に応えられなかった。Xolographyに対する私の夢は、病気を研究し、治療法を開発するための組織や臓器のモデルを実際に作成できる技術に発展することである」(Stoecker)。

デザイン分野の技法
Xolographyは、エンジニアリング、物理学、化学の画期的な融合であり、光を使用して液体ポリマを3Dプリントする。これは、光反応性流体内で異なる波長の交差する光線の力を利用する。光線が収束すると、1分以内に流体がグミベアほどの大きさの詳細な固体3Dオブジェクトに変わる。

この技術は、ドイツの化学者Stefan Hechtと物理学者Martin Regehlyによって開発され、スピンオフビジネスのXoloでさらに様々なアプリケーションに適応された。4年前、Hechtは、Xolographyが複雑な生物学的構造の生成に利用される可能性について考えていた。

Dias Castilho: 「4年前、Xoloはその技術を生物医学アプリケーションに発展させようとしていた。一方、私のチームは、高解像度、高速製造速度、スケーラビリティを提供できる可能性のある破壊的な技術を探していた。したがって、これは完璧な組み合わせである」とコメントしている。

今日、バイオマテリアルエンジニアリングおよびバイオファブリケーショングループのTU/e-researchは、光による組織印刷を実現した。HechtとRegehlyは、この技術を使用して世界で生物材料をプリントした最初の科学者であり、研究グループの調査結果を興味深く追いかけている。

これは一夜にして実現したわけではない。研究チームはXolographyを生体組織のプリンティングに適応させるためにいくつかの追加の課題を克服しなければならなかった。Dias Castilhoはそれらのいくつかについて言及している。

「まず、使用する材料は生体適合性でなければならない。このプロセスのために開発していたハイドロゲルに加えて、光開始剤システム自体があまり細胞に適しておらず、交換する必要があることがわかった。同社との緊密な協力により、生物医学用途に安全であることを保証するために、材料の配合を開発および最適化した」(Dias Castilho)。

研究室で細胞を増殖させるためのスカフォールドプリンティング
Stoeckerは、実験室で細胞を成長させるための一時的な支持構造として使用できるヒドロゲルのスカフォールドをプリントした。「組織をうまく成長させるために、ハイドロゲルのスカフォールドに、例えば骨髄細胞の自然環境を模倣した特徴が含まれていることを目指している」(Stoecker)。

「われわれは、100μm〜1 mmの範囲の細孔を持つ詳細なスカフォールドをプリントすることができた。これにより、細胞培養中にスカフォールド全体に栄養が供給されるのを確保することができた。小さな隆起したエレメントは、人間の細胞のサイズ範囲でわずか20μmまでプリントすることができた。」

光による3D材料特性の調整
小さなスケールでのプリンティングだけでは、天然組織を模倣し、細胞の挙動を正確に制御するには不十分である。「天然組織には様々な特性がある。たとえば、ある場所では硬く、別の場所ではより柔軟である。既存の技術では、より均質なオブジェクトをプリントする」(Stoecker)。

「われわれは、特性を完全に3Dで制御する材料を作成することに成功した。これにより、必要な場所に、より硬く柔軟な領域を作成できる。」
投影される光強度を変えることで、研究チームは組織の特性を厳密に制御することができた。

人工筋肉
Dias Castilhoは、「形状を変えることができる材料を再現し、再び形を変えることは非常に困難だった。これは、有機組織のように機能する組織を作成するために不可欠である」と話している。

チームは、熱応答性ハイドロゲルを実装して、4Dプリント構造の作成を可能にした。「これらの材料は、温度変化に応じて時間の経過とともに形状や特性を変化させることができるため、微妙な温度変化に応じて屈曲したり伸ばしたりできる人工筋肉など、より複雑で機能的な組織構築物が可能になる」(Dias Castilho)。

Dias Castilho:「われわれは今、この技術がより現実的で機能的な組織モデルとインプラントを作成することにより、ヘルスケアのエキサイティングな可能性を解き放つことができることを実証した。」

Advanced Materials誌に掲載された成果は、代表的な出版物とされている。「これは基礎的な論文だと考えている。この論文の洞察は、プログラム可能な機械的特性と形状を持つ細胞含みハイドロゲルの光ベースの高分解能製造を進めるのに役立つと信じている。次の段階では、組織修復のためのin vitroモデルとバイオプリントソリューションが改善される見込である」とDias Castilhoは話している。

「われわれの研究が臨床に到達するまでにはまだ長い道のりを歩まなければならないことはよくわかっているが、いつの日か、研究室で開発した技術が誰かの健康を改善し、ひいては誰かの生活を改善するのに役立つかもしれないという考えたい」とStoeckerは、付け加えている。