κ-カラギーナンサブマイクロゲル培地を用いた組織様構造の埋め込みバイオプリンティング

電気紡糸繊維、多孔質スポンジ、高分子ハイドロゲルなどの組織工学足場は、細胞増殖、組織再生、臓器機能の回復を支える構造的枠組みを提供することにより、損傷した組織や臓器の修復と再建において極めて重要な役割を果たします^1,2,3.しかし、従来のスキャフォールドでは、天然の組織構造を正確に再現するという課題に直面し、人工組織と天然組織との間にミスマッチが生じます。この制限は、欠陥のある組織の効率的な治癒を妨げ、より正確なバイオミミクリーを達成するための足場設計の進歩が緊急に必要であることを強調しています。3次元(3D)バイオプリンティングは、生体材料のインクと細胞⁴を使用して、複雑な生体組織構造を層ごとに正確に構築する革新的な製造技術です。さまざまな生体材料の中で、高分子ハイドロゲルは、細胞のin situカプセル化を促進し、細胞の成長を決定的にサポートする独特のネットワークを備えた理想的なバイオインクとして浮上しています^5,6。それにもかかわらず、多くの柔らかく高水和したハイドロゲルは、バイオインクとして使用すると、印刷プロセス中に印刷された足場構造のぼやけや急速な崩壊を誘発する傾向があります。この課題に対処するために、組み込み型3Dバイオプリンティング技術は、マイクロゲル浴を支持材料として採用し、正確なソフトバイオインクの堆積を可能にしました。ハイドロゲルバイオインクをゲル化すると、マイクロゲル浴を取り外すことにより、複雑な構造を持つ精製されたバイオニックスキャフォールドが得られます。ゼラチン^7,8、アガロース⁹、ジェランガム^10,11などの材料は、埋め込み型3Dバイオプリンティング用のマイクロゲルバスの作成に使用されており、組織工学におけるソフトハイドロゲルの応用を大幅に進めています。しかし、これらの粒子状ゲルのミクロンレベルで不均一な粒子サイズは、3Dプリンティング12,13,14の解像度と忠実度に悪影響を及ぼします。小さく均一に分散した粒子を持つゲル状の懸濁液フロートを作製することが急務であり、高忠実度のバイオプリンティングを実現する上での利点があります。

このプロトコルでは、均一なサブミクロンレベルの新しい犠牲顆粒 κ-カラギーナン懸濁槽が埋め込まれた3Dプリンティングのために提示されます。この革新的なサブマイクロゲル浴の急速なジャミング-アンジャミング遷移の挙動は、高い構造忠実度¹⁵の生体模倣ヒドロゲル足場の正確な製造を容易にする。この新しい懸濁液媒体を利用して、ゼラチンメタクリレートとシルクファイバーメタクリレートで構成される複合バイオインクを使用して、多層組織構造を特徴とする一連の生体模倣組織および臓器構築物が成功裏に印刷されます。この研究では、食道が多層組織構造を持っているだけでなく、その筋肉層も内部の円形および外部の縦方向の複雑な層構造を示すことを主な理由として、食道を3Dバイオプリンティングバイオミメティックオブジェクトとして選択しました。これらの層の適切な配置と組織化を確保することは、機能的な組織の再生に不可欠です。したがって、食道の多層構造を再現することを強く望んでいます。さらに重要なことに、 κ-カラギーナンサブマイクロゲルを懸濁液浴として、GelMA/SFMAをバイオインクとして利用し、組織工学のための生体模倣足場を設計および構築しました。印刷された食道は、リン酸緩衝生理食塩水洗浄を繰り返すことで簡単に放出できます。さらに、 κ-カラギーナンサブマイクロゲル浴は細胞毒性物質を含まないため、高い細胞適合性が保証されます¹⁵。異方性足場内にロードされた平滑筋細胞は、顕著な拡散活動を示します。この均一なサブマイクロゲル懸濁液は、埋め込まれた3Dバイオプリンティングを通じて複雑な組織や臓器を作製するための新しい道を提供します。