- 7月 13, 2021
同軸バイオプリンティングを使用したより複雑な構造の作製
同軸バイオプリンティングの概要
マルチマテリアルバイオプリンティングは、機械的、化学的、生物学的特性を調整できる2つ以上のハイドロゲルで構成される複雑な構造を実現するために使用されます。その一つが、同心円状に配置された2つ以上のバイオインクなどの生体材料（バイオマテリアル）を、1本のフィラメントの中に同時に吐出する同軸押出法です。
この方法では、犠牲さやとコア材料を単一のフィラメントに押し出したり、共培養モデル用に細胞を含んだ層を押し出すことがが可能です。同軸バイオプリンティングでは、2つ以上の同心円状のオリフィスを持つニードルノズルを使用するのが一般的ですが、それ以上のオリフィスを必要とするデザインをプリントすることも可能です。
Requirements for coaxial bioprinting
バイオマテリアルの押出成形を可能にするためには、オリフィスと同数のカートリッジと押出源が必要です。このため、多くのプリントヘッドを独立して制御できる高度なバイオプリンタでは、同軸バイオプリンティングの使用が制限されることがよくあります。
同軸バイオプリンタで使用できるバイオマテリアルは、ハイドロゲル、細胞、犠牲材料、架橋溶液などです。選択した技術に応じて、この技術では、中実繊維、中空管、複合3D構造、複雑な層状構造など、さまざまな構造の押出しフィラメントを作製できます。同軸押出法では、バイオマテリアルを芯（コア）とし使用するか、さや成分として使用するかは、フィラメントの特性にとって重要です。例えば、同軸バイオプリンティングでは、同軸構成により、細胞を含んだ2種類の材料を定義された層に共析させることができるため、細胞の共培養が一般的です。
Applications for Coaxial Bioprinting
多材質・多層構造のフィラメントを必要とする幅広いバイオプリンティング分野での応用には、血管網や組織構造（血液脳関門など）から尿細管組織（末梢神経や腎臓ネフロン単位など）、小腸の構成要素まで、多くの組織や3次元モデルが含まれます。
さらに、同軸押出法では、アルギン酸塩のような通常ではプリントできないバイオマテリアルの押出しを可能にするために、in situ架橋を行うことができます。チューブ状構造を作製する1つの方法は、アルギン酸塩ベースの材料から単一または多層のハイドロゲルシースをプリントし、CaCl2架橋溶液をコアとする方法です。より単純な用途としては、2層以上のバイオマテリアルや細胞からなる液滴を堆積させて、スフェロイドやオルガノイドのような小さなモデルを作製するために、この技術を活用いただけます。
同軸バイオプリンティングを行う際の注意点
プリント用バイオインクの事前テスト
同軸バイオプリンティングを使用する場合、同軸ニードルの限られた形状に適合するバイオインクの範囲が狭いことを考慮する必要があります。バイオインクがすでに従来のバイオプリンティングに使用されている場合でも、同軸バイオプリンティング用にバイオインクを再テストすることが有利かつ必要な場合があります。これは、使用予定の同軸ニードルのセットアップに一致するニードルの長さとゲージ（例えば、0.5インチの長さと200kPa未満の圧力）を使用して行うことができます。200 kPaを超えるバイオマテリアルを押し出す場合は、外部ポンプをバイオプリンタに接続して、最大700k Paの圧力に変えることができます。
増粘剤の使用は最小限に
同軸バイオプリンティングで成功する可能性が高いバイオインクやバイオマテリアルは、ニードルとの適合性が高い、低粘度または均質なバイオマテリアルです。微粒子増粘剤を含む不均一なバイオマテリアルは、幾何学的な制限があるため、同軸ニードルの目詰まり率が高くなる可能性があります。同軸バイオプリンティングでは、増粘剤の使用を最小限に抑える、あるいは使用を控える必要があるかもしれません。増粘剤によって付与されるせん断減粘性やその他の有利な機械的特性の損失を補うために、押出中または押出後にCaCl CaCl2などの架橋溶液や光硬化技術を使用してその場で架橋し、ご希望の機械的特性に到達させることが可能です。
複雑さへの配慮
マルチマテリアルフィラメントのプリント適合性を分析する際には、フィラメントの目標直径だけでなく、芯部分とさや部分のそれぞれの構成比を検討する必要があります。同軸フィラメントの作製には複数の材料の流れが必要なため、フィラメント構造はさらに複雑になります。流量を最適化し、材料と材料の相互作用を考慮することは、均一なフィラメントを安定して生成するために重要です。例えば、バイオプリントされた同軸フィラメントの芯成分が過剰に押し出されると、フィラメントが膨らんでしまい、逆に芯成分の押出が不十分だと、フィラメントは構造的に破壊され、途切れてしまいます。
