Rheolutionの記事
アルギン酸塩系スキャフォールドの3Dプリント手法
by Dr. Dimitria Bonizol Camasao
レヴォリューション社 シニア・アプリケーション・スペシャリスト
2022年の最初の1か月は、組織工学や薬物送達用途に使用されるアルギン酸ハイドロゲルに焦点を当てました。前述の通り、 このトピックの初出 このトピックに関する最初の論文、アルギン酸塩 3Dバイオプリンティングにおいて、用途に応じて細胞や生物活性分子を含む3D構造（スキャフォールド）を製造するためのバイオインクとして一般的に使用されています。 アルギン酸塩溶液の特筆すべき特徴は、イオン（例えばCa2+）の存在下で迅速に架橋（分子同士が結合すること）し、さまざまな形状に成形可能な凝集性のあるハイドロゲルを形成する能力です。 また、その最終的な機械的特性は、調製に用いる成分を変えることで（少なくともある程度は）調整することが可能です。
第 第2号 2022年1月、アルギン酸ヒドロゲルを、さまざまな濃度のCaCl₂溶液を用いて、異なる時間間隔で架橋処理した。架橋過程における特定の配合の挙動（開始時間やゲル化速度など）や、このゲル化プロセスに関連する膨潤・収縮の傾向を理解することは、特に3Dプリンティングにおいて、実験をより適切に設計するために不可欠である。
押出式3Dプリンティング技術において、アルギン酸塩を用いた3D構造体を造形するための数多くの手法が開発されてきた。アルギン酸塩溶液は粘度が比較的低いため、純粋な状態で造形し、その後架橋処理を行うには、プロトコルの入念な最適化が必要となる。 例えば、バイオインクメーカー各社は、推奨される印刷速度、押出圧力、ノズルサイズ、温度などの範囲内で、特定の濃度で自社のバイオインクを印刷するために開発された詳細なプロトコルを有しています。その一例として、当社が公開したアプリケーションノートの一つで使用されているアルギン酸塩が挙げられます。 . Cellinkは詳細な プロトコル 押出式3Dプリンターでのバイオインクの印刷に関するプロトコル。
純粋なアルギン酸塩溶液をプリントするためのプロトコルが容易に入手できない場合や、その入手が困難な場合、その低粘度という課題を克服するために、さまざまな手法も開発されてきた。 報告されている手法には、例えば（図1のセクションA）のように、印刷前にシリンジバレル内でアルギン酸塩溶液をCaCl₂溶液を用いて最大30分間予備架橋させる方法[1,2]や、 （図1のセクションB）印刷工程中に針から排出されるやいなや急速に架橋が進むよう、シェルとコアにそれぞれアルギン酸塩溶液とCaCl₂溶液を充填した同軸針を使用する方法[3]、そして非常に一般的な方法として、 （図1のセクションC）ゼラチン、寒天、PEGなどの他の生体材料と混合し、即時の印刷性を向上させる方法 [4]。
さらに、軟質生体材料の造形精度を向上させるために推奨されている比較的新しい造形手法である「浮遊ハイドロゲルのフリーフォーム可逆埋込法（FRESH）」も、純粋なアルギン酸塩構造体の造形に利用することができる[5]。 この手法（図1のセクションD）では、バイオインクが、ゲル化するまでその位置を保持する犠牲性ハイドロゲルからなる支持浴中に押し出される。アルギン酸塩の場合、架橋反応を誘起するために、支持浴には塩化カルシウムを含める必要がある。 総じて、FRESH印刷は、使用および／または達成可能なバイオインク、解像度、サイズ、3D形状の複雑性という点において、他に類を見ない機能の組み合わせを提供する。
さらに、軟質生体材料の造形精度を向上させるために推奨されている比較的新しい造形手法である「浮遊ハイドロゲルのフリーフォーム可逆埋め込み法（FRESH）」も、純粋なアルギン酸塩構造体の造形に利用することができる[5]。 この手法（図1のセクションD）では、バイオインクが、ゲル化するまでその位置を保持する犠牲性ハイドロゲルからなる支持液中に押し出される。アルギン酸塩の場合、架橋反応を誘起するために、支持液には塩化カルシウムも含まれている必要がある。 総じて、FRESHプリンティングは、使用および／または達成可能なバイオインク、解像度、サイズ、3D形状の複雑性という点において、他に類を見ない機能の組み合わせを提供する。
アルギン酸は、純粋な状態でも他の生体材料と混合された状態でも、スキャフォールドに固有の生体適合性、比較的低コスト、低毒性、および二価陽イオンの添加による穏やかで調整可能なゲル化特性を与えます。これらは、細胞や生物活性分子の封入において重要な要素となります。
参考文献
[1] Freeman, F. E., & Kelly, D. J. (2017). Tuning alginate bioink stiffness and composition for controlled growth factor delivery and to spatially direct MSC fate within bioprinted tissues. Scientific reports, 7(1), 1-12.
[2] Daly, A. C., Critchley, S. E., Rencsok, E. M., & Kelly, D. J. (2016). A comparison of different bioinks for 3D bioprinting of fibrocartilage and hyaline cartilage. Biofabrication, 8(4), 045002.
[3] Zhang, Y., Yu, Y., Chen, H., & Ozbolat, I. T. (2013). Characterization of printable cellular micro-fluidic channels for tissue engineering. Biofabrication, 5(2), 025004.
[4] Mallakpour, S., Azadi, E., & Hussain, C. M. (2021). State-of-the-art of 3D printing technology of alginate-based hydrogels—An emerging technique for industrial applications. Advances in Colloid and Interface Science, 102436.
[5] Shiwarski, D. J., Hudson, A. R., Tashman, J. W., & Feinberg, A. W. (2021). Emergence of FRESH 3D printing as a platform for advanced tissue biofabrication. APL bioengineering, 5(1), 010904.
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