FRESHバイオプリンティングとは何か、またその仕組みはどのようなものか？

浮遊する若返りタンクの中で患者の怪我を治療するという、SFのようなアイデアを空想したことはありますか？ この浮遊を可能にする現象である「中性浮力」は、重力によって形状が崩れてしまい、空気中では印刷精度を維持することが極めて困難な、柔らかく液体のようなインクを用いた3Dプリント材料の解決策を、研究者たちに発見させるきっかけとなったようです。 （浮遊タンクで使用されるような）水ベースの支持液は、組織工学の分野で広く使用されている水ベースのハイドロゲルとは相性が悪いという事実にもかかわらず、 支持液中で3Dプリントを行うというこのアイデアは、固体と液体の両方の挙動を可逆的に示すゲル状の材料を用いることで重力の影響を最小限に抑え、その中でのハイドロゲルの堆積を可能にするものへと発展した。

今月の11月は、組織工学の応用分野で広く使用されている、柔らかく低粘度の液体状バイオインクの印刷に特に最適化された埋め込み型バイオプリンティング手法である、「浮遊ハイドロゲルのフリーフォーム可逆埋め込み（FRESH）」について取り上げました。 一般的に、埋め込み型3Dバイオプリンティングは、支持材で満たされた造形チャンバー内において、シリンジ式押出機を用いて生体材料や細胞を3次元空間に堆積させるものと考えられます。 FRESH法を用いることで、I型コラーゲンや脱細胞化ECMなどの未修飾の生物由来ハイドロゲルと、高密度の細胞含有バイオインクを同時に印刷し、機能的な人工組織の作製が可能となる。

このアプローチにおける主要な技術的課題は、押し出されて硬化する柔らかいプリント構造体を保持しつつ、プリント中に押出針がサポート浴内を容易に移動できるようにするサポート浴材料を開発することです。 具体的には、サポートバス材料に求められるレオロジー特性として、所定の閾値（降伏応力）以下のせん断応力が加わると固体として振る舞い、その閾値を超えると固体から液体のような挙動へと移行することが求められます。 ニードルの周囲では、サポート浴が液体のような挙動（加えられたせん断応力が降伏応力よりも高い）を示すため、ニードルが容易に移動することができます。ニードルが離れると、サポート浴は再凝固します（加えられたせん断応力が降伏応力よりも低い）。 支持浴の最適な降伏応力は、印刷対象の材料、ニードルの直径と長さ、および印刷速度などのプロセスパラメータによって決まる[1]。

FRESH印刷法には、いくつかの際立った利点があります。まず、その汎用性です。FRESHは当初、ゼラチンベースの支持液を用いて報告されましたが[2]、さまざまな支持液の開発により、幅広いゲル化メカニズムを持つ軟質材料の印刷が可能になりました（図1）。 さらに、架橋剤が浴中に混合されているため、押し出されたバイオインクのフィラメントは直ちに全方向から液体にさらされ、これによりゲル化プロセスが迅速かつ同時に開始される。これは、ゲル化を開始する方法が限られている空気中での印刷とは対照的である。 第二に、支持液は、印刷プロセス中に細胞死を防ぎ、高い細胞生存率を維持する環境を提供する。温度制御に加え、支持液の水性部分は、細胞培養液、成長因子、あるいは細胞の生存を守ることを目的としたその他の生体分子で構成することができる。 その結果、この技術の3つ目の主な利点は、印刷可能な構造体の大きさにある。これまで、3Dバイオプリントされた組織構造体の多くは、置き換えることを目的とした組織や臓器と比較して、比較的小さかった。 FRESHはすでに、MRI画像データに基づいて、I型コラーゲンを用いた新生児規模の人間の心臓の物理モデルの作成に利用されている[3]。また、研究者らは、この技術が、患者固有の解剖学的データに基づいて実物大の組織を製造できる、スケーラブルな積層造形技術となる可能性を秘めていると断言している。