ファイバ

Dec 06, 2023

繊維を注入したインクを通して鼓動する 3D プリントされた心筋

過去 10 年間にわたる 3D プリンティングの進歩により、生体工学者が心臓の組織や構造を構築する新たな可能性が開かれました。 彼らの目標には、米国の主な死因であり全米の死亡者の約5人に1人を占める心疾患の新たな治療法を発見するためのより優れたin vitroプラットフォームを構築すること、および3Dプリントした心臓組織を使用してどの治療法が最も効果的かを評価することが含まれる。個々の患者では。 より遠い目標は、患者の心臓内の欠陥のある構造または病気の構造を治癒または置換できる移植可能な組織を作製することである。

Nature Materials に掲載された論文の中で、ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院 (SEAS) の研究者らは、ゼラチン繊維を注入した新しいヒドロゲル インクの開発を報告しています。これにより、心臓の鼓動を模倣した機能的な心室の 3D プリントが可能になります。人間の心。 彼らは、繊維を注入したゲル (FIG) インクにより、心室の形に印刷された心筋細胞が人間の心腔のように整列し、協調して拍動できることを発見しました。

「人々は、臨床現場で何が起こるかを予測する方法として、臓器の構造と機能を複製して薬物の安全性と有効性をテストしようと試みてきました」と、SEASの研究員で論文の筆頭著者であるスジ・チョイ氏は言う。 しかしこれまで、3Dプリンティング技術だけでは、心筋細胞（心筋を収縮させるために協調して電気信号を伝達する役割を担う細胞）の生理学的に関連した整列を達成することはできなかった。

私たちは、生体組織の 3D プリンティングにおけるいくつかの不十分な点に対処するためにこのプロジェクトを開始しました。

この革新性は、印刷可能なインク内に繊維を添加することにあります。 「FIG インクは印刷ノズルを通って流れることができますが、一度構造が印刷されると、その 3D 形状は維持されます」と Choi 氏は言います。 「これらの特性のおかげで、追加のサポート材料や足場を使用せずに、心室のような構造やその他の複雑な 3D 形状をプリントできることがわかりました。」

FIG インクを作成するために、Choi 氏は、綿菓子を紡ぐ方法と同様のアプローチを使用してマイクロファイバー素材を製造する、パーカーの研究室によって開発されたロータリー ジェット スピニング技術を活用しました。 この論文の共著者であるポスドク研究員のルーク・マックイーン氏は、ロータリージェットスピニング技術によって作成された繊維をインクに加えて3Dプリントできるというアイデアを提案した。

「ルークがこのコンセプトを開発したときのビジョンは、下限を外してナノメートルスケールまで下げることで、3D プリンターで印刷できる空間スケールの範囲を広げることでした」とパーカー氏は言う。 「エレクトロスピニングではなく、極細繊維を生成するためのより従来の方法であるロータリージェットスピニングで繊維を製造する利点は、エレクトロスピニングでは電場によって分解されてしまうタンパク質を使用できることです。」

ロータリー ジェットを使用してゼラチン繊維を紡糸し、Choi 氏は綿に似た外観のシート状の材料を製造しました。 次に、超音波処理（音波）を使用して、そのシートを長さ約 80 ～ 100 マイクロメートル、直径約 5 ～ 10 マイクロメートルの繊維に分解しました。 次に、彼女はそれらの繊維をヒドロゲルインクに分散させました。

この概念は広く適用可能です。当社の繊維紡績技術を使用して、希望する長さと形状の繊維を確実に製造できます。

最も困難な点は、繊維の整列と 3D プリント構造の全体的な完全性を維持するために、インク内の繊維とヒドロゲルの望ましい比率をトラブルシューティングすることでした。

Choi 氏がFIG インクを使用して 2D および 3D 構造を印刷すると、心筋細胞がインク内の繊維の方向に沿って一列に並びました。 したがって、チョイ氏は印刷方向を制御することで、心筋細胞がどのように整列するかを制御することができた。

彼女がFIGインクで作られた3Dプリント構造に電気刺激を与えると、それらの繊維の方向に合わせて調整された収縮の波が引き起こされることがわかりました。 心室の形をした構造では、「本物の心臓の心室がポンプを動かすのと同じように、実際に部屋がポンプを動かしているのを見るのは非常に興奮しました」とChoi氏は言う。