積層造形、ラピッド プロトタイピング技術(shù)、フリーフォーミング技術(shù)などとしても知られる 3 次元プリンティング (3DP) は、コンピューター支援のレイヤリングおよび重ね合わせ成形技術(shù)を使用した個別スタッキングの原理に基づいています。マテリアルはレイヤーごとに追加され、3D ソリッドが形成されます。 1986 年にチャールズ W. ハルによって 3D プリンティング技術(shù)の概念が初めて提案されて以來、3D プリンティングはあらゆる分野に浸透し、イノベーションを?qū)Г?、その高精度、個別化された製造、および複雑な形狀の構(gòu)築における獨(dú)自の利點(diǎn)により、世界的な製造業(yè)をもたらしました。 。業(yè)界の変化。生物學(xué)的 3D プリンティングは、生物醫(yī)學(xué)分野における 3D プリンティング技術(shù)の相互応用であり、重要な研究的意義と応用の見通しを持っています。 3D プリンティング技術(shù)を使用して、標(biāo)準(zhǔn)モデルだけでなく、患者向けにオーダーメイドの外科用ステントも作成できます。患者の骨欠損をコンピューター斷層撮影 (CT) や核磁気共鳴 (MRI) などの醫(yī)用畫像技術(shù)でスキャンして、目的のステント モデルを取得し、3 次元プリンターで印刷します。これは、従來の成形技術(shù)では達(dá)成することが困難です。近年、3D プリンティング技術(shù)は、頭蓋顔面移植、歯冠修復(fù)、補(bǔ)綴裝置、醫(yī)療機(jī)器、手術(shù)モデル、臓器プリンティング、薬物送達(dá)モデル、骨組織工學(xué)ステントなどを含む醫(yī)療分野で広く使用されています [1]。 3D プリンティング技術(shù)は、そのカスタマイズ性、構(gòu)造および細(xì)孔の制御性、および複數(shù)の材料を複合できる能力により、研究者から幅広い注目を集めています。この傾向は、畫期的な治療法や裝置を備えた多くの発明にも影響を與えました。

生體材料を印刷できるかどうかは、使用する3Dプリンターに大きく関係します。プリンタごとに素材要件は異なります。生物醫(yī)學(xué)の分野で使用される主なプリンターは、光硬化ステレオ印刷技術(shù)、溶融蒸著印刷技術(shù)、選択的レーザー焼結(jié)技術(shù)、直接スラリー押出技術(shù)の4つのタイプに分類されます。

融合沈著と直接スラリー押出技術(shù)は、骨組織工學(xué)足場を準(zhǔn)備するために一般的に使用される2つの方法です。一部の直接印刷されたペーストは、水または低沸點(diǎn)溶媒（ジクロロメタン（DCM）、ジメチルスルホキシド（DMSO））と混合されたポリマーソリューションです。一部は、押出後すぐに蒸発するポリマーソリューションです。または一部のヒドロゲルは、押出後も元の構(gòu)造を保持します。三次元印刷によって形成され、チキソトロピー挙動、溫度検知、または押し出し後の架橋によって形狀を維持できます。溶融蒸著および直接印刷の場合。XY平面での解像度は25ミクロンまで可能で、層厚さは200?500ミクロンです。[2]一般に、サポートされていない、または鋭利な長いモデルを印刷する場合、これらの2つの方法には問題があります。フィラメントには十分な強(qiáng)度がないため、すぐにサポートできません。サポートされていないパーツです。この問題を解決するために、印刷が完了した後、印刷プロセス中に充填材が追加される場合があります。充填材は溶剤または高溫でか焼。

粒子溶解3D印刷技術(shù)は、選択的レーザー焼結(jié)蒸著技術(shù)や粒子接著技術(shù)を含む産業(yè)用プロトタイピングで広く使用されており、ポリマー、セラミック、金屬、およびそれらの複合材料を印刷するだけでなく、獨(dú)自のまたは複雑な構(gòu)造を提供します。選択的レーザー焼結(jié)では、特定の方向のレーザーを使用して、ポリマーまたは金屬粒子を融點(diǎn)より高くし、それによって粒子を一緒に溶融します。コンピューターモデルに従ってレーザービームが重ねられ、粒子が上から溶かされ、この手順が繰り返されて最終結(jié)果が得られます[3]。選択的レーザーテクノロジーは、作成に時間がかかり、コストが高く、大量の材料を使用する必要がありますが、単一の工作機(jī)械で複數(shù)の材料を形成できるため、多くの製造分野でヒットしています。粒子結(jié)合技術(shù)は無指向性レーザー焼結(jié)技術(shù)とも呼ばれ、その主な原理は選択的レーザー焼結(jié)技術(shù)と同様です。しかしながら、粒子のレーザー溶融とは異なり、粒子結(jié)合技術(shù)は、液體結(jié)合剤溶液を使用して粒子を結(jié)合し、次いで高溫か焼によって三次元固體を得る。選択的レーザー焼結(jié)技術(shù)と粒子接著技術(shù)は、整形外科や口腔外科などの硬組織工學(xué)で使用されています。

ステレオリソグラフィーは、光重合性液體ポリマーを通して紫外光またはレーザー光を形成して、単一の硬質(zhì)ポリマーフィルムを形成するプロセスです。重合後、新しい樹脂が印刷面上を流れて上で重合できるように、基板は溶液に降ろされます。すべての印刷技術(shù)の中で、ステレオリソグラフィは最高の解像度を持ち、従來のステレオリソグラフィの解像度は25ミクロンに達(dá)しますが、マイクロスケールのステレオリソグラフィと高精度のステレオリソグラフィはシングルミクロンの解像度を持ちます[4]]。ただし、ステレオリソグラフィーにより、紫外線の下でのみ架橋でき、拡張されたポストフォーミング特性、適切な機(jī)械的特性の欠如、樹脂が最後に簡単にブロックされ、最も重要なのはステレオリソグラフィーに使用できる関連する生物學(xué)的相が欠けていることです。 。容量性で生分解性の素材のため、醫(yī)療分野での開発の余地がありません。しかしながら、近年、いくつかの天然または合成の架橋可能な生體材料の発見は、組織工學(xué)の分野におけるステレオリソグラフィーの適用に大きな機(jī)會を提供している[5]。

図1耳の印刷方法[6]

過去10年の間に3Dプリンティング技術(shù)は急速に発展し、多くの新しい分野への応用を可能にし、醫(yī)療機(jī)器やティッシュエンジニアリングの注目を集めてきました。 3Dプリンティングは特定の醫(yī)療製品を患者に合わせて短時間で低コストで調(diào)整できるため、3Dプリンティングテクノロジーは將來の個人醫(yī)療の時代に大きな発展の見通しを持っています。現(xiàn)在、三次元印刷により骨組織工學(xué)の足場や他の醫(yī)療製品を準(zhǔn)備するための多くの生物學(xué)的材料があります。このセッションでは、さまざまな印刷技術(shù)に必要な材料特性の概要を説明し、適用された生體材料とその長所と短所を強(qiáng)調(diào)します。

バイオメディカルアクティブセラミックは、天然の骨のミネラル相、構(gòu)造、機(jī)械的特性をシミュレートすることにより、バイオニック骨修復(fù)材料に最適です。液體セラミック材料は數(shù)が少なく、その融點(diǎn)は溶融蒸著印刷が耐えられる範(fàn)囲をはるかに超えているため、現(xiàn)在3Dプリンターを使用してセラミック材料を直接印刷することは困難です。さらに、セラミック材料は、感光特性がないため、光硬化性の3次元印刷技術(shù)には適していません。また、選択的レーザー焼結(jié)印刷システムを使用して高密度の多孔性構(gòu)造を印刷することも困難です。直接押出3D印刷技術(shù)は現(xiàn)在、セラミック材料を印刷するための最も有望な方法です。セラミックパウダーは、印刷を容易にするために、適切な粒子サイズ（通常は10?150ミクロン）と適切な接著剤が必要です。成形[7]。

ヒドロキシアパタイトパウダーは、3次元印刷で広く使用されています。これは、ミネラル相に含まれる大量のリン酸カルシウムに関連しています。ポリアクリル酸溶液をHAパウダー上に1層ずつスパッターした後、焼結(jié)して硬化プロセスを完了し、ヒドロキシアパタイトカップリングを得ました。焼結(jié)により、その圧縮強(qiáng)度（0.5-12Mpa）はヒトの海綿骨の最小要件を満たすことができます。マウスモデルに移植し、8週間後、ステントの端で骨の新生が始まり、內(nèi)部に類骨と血管が成長した。しかしながら、人工骨足場の優(yōu)れた性能にもかかわらず、それはまだ臨床使用基準(zhǔn)からほど遠(yuǎn)いです[8]。バイオガラスは、內(nèi)部分子がランダムに配置されたケイ酸塩の集合體です。材料の構(gòu)成要素は、生體の構(gòu)成要素と交換または反応して、生物自體と適合性のある物質(zhì)を形成します。研究者は、細(xì)胞および動物実験を通じて生物活性ガラスに関する一連の研究を?qū)g施し、バイオガラスは優(yōu)れた自己分解性を有し、そのイオン生成物は骨芽細(xì)胞の増殖と分化を増強(qiáng)し、骨形成遺伝子の発現(xiàn)を活性化できることを発見しました。 Lu et al [9]は、腫瘍関連の骨欠損疾患を効果的に治療するために、最初に磁性ナノ粒子修飾メソポーラスバイオガラスを調(diào)製し、それをキトサンと混合して、多孔質(zhì)複合足場を調(diào)製しました。複合足場は、良好な骨再生と光熱療法機(jī)能を備えており、腫瘍関連の骨欠損の治療に大きな応用価値があります。

図2超弾性人工骨[10]

醫(yī)療用ポリマー印刷材料は、優(yōu)れた処理特性を備え、さまざまな印刷モードに適用でき、生體適合性と分解性が優(yōu)れているため、3D印刷の生體材料の主力となっています。異なる印刷技術(shù)では、異なる材料の印刷パラメータを設(shè)定する必要があります。たとえば、溶融蒸著印刷では、熱可塑性ポリマー材料が使用されます。これは、原料をフィラメントの形狀に引っ張るだけで印刷できますが、その直徑は通常約1.75 mmであり、固溶體変換の特性が速いため、絞られています。外に出る前に素早く溶け、押し出し後にすばやく冷卻できます。光硬化三次元印刷技術(shù)では、スラリーが液體狀態(tài)であり、感光特性を持っている必要があります。

現(xiàn)在、最も広く使用されている三次元印刷ポリマー材料は、ポリ乳酸（PLA）やポリカプロラクトン（PCL）などの分解性脂肪族ポリエステル材料です。ポリカプロラクトンは、ティッシュエンジニアリングと3Dプリンティングの登場までかつては捨てられていた半結(jié)晶性ポリマーであり、PCLは再び歴史的な段階にあります。ポリカプロラクトンは、優(yōu)れたレオロジー特性と加熱時の粘弾性特性を備えており、溶融蒸著に基づくプリンターにとって最も重要な材料の1つです。ポリカプロラクトンは體內(nèi)で最大6か月間安定しており、その後徐々に分解されます。また、副産物は人體に無害で無害です。ポリ乳酸は、生體適合性と生分解性に優(yōu)れた線狀熱可塑性脂肪族ポリエステルです。しかしながら、ポリ乳酸の分解はエステル結(jié)合の加水分解によって達(dá)成されるため、乳酸の放出は周囲の體液環(huán)境におけるpH値の低下を引き起こす。これらの酸性副産物は、組織の炎癥や細(xì)胞死を起こしやすいです。この問題を改善するために、研究者らはポリ乳酸とバイオセラミックを組み合わせて、生體反応性を改善し、酸性環(huán)境の形成を妨げる複合足場を準(zhǔn)備しました。 Ion et al [11]は、3D印刷技術(shù)を使用して、皮質(zhì)および海綿骨の特性に一致する新しいアパタイト-ウォラストナイト/ポリ乳酸（AW / PLA）複合構(gòu)造を製造しました。インビトロ細(xì)胞実験の結(jié)果は、AW / PLA複合足場がラット骨髄由來間葉系幹細(xì)胞の増殖および骨形成分化を効果的に促進(jìn)できることを示した。ラットの頭蓋骨欠損モデルでは、複合足場は良好なオッセオインテグレーションと新しい骨形成を促進(jìn)する能力を示しました。

PLAおよびPCLに加えて、ポリプロピレン（PPF）は、光硬化において最も研究されている生分解性および光架橋性ポリマー材料の1つです。通常、印刷されたペーストはフマル酸ジエチルDEF溶剤と混合され、光開始剤も追加されます。溶液の粘度とPPFとDEFの比率は、印刷プロセスとステントの機(jī)械的特性に大きな影響を與えます。ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は、350°Cの融點(diǎn)があるため、選択的レーザー焼結(jié)印刷技術(shù)によってのみ形成できます。ただし、融點(diǎn)が高いため、PEEKに耐熱性があり、高溫蒸気滅菌時に安定します。しかし、PPEKは生體材料として、組織工學(xué)に適したオッセオインテグレーションがなく、天然の骨とうまく組み合わせることができないため、拒絶反応が発生しやすく、価格が高くなります[12]。

ヒドロゲルは、水溶性高分子を化學(xué)架橋または物理架橋してなる高分子であり、三次元架橋網(wǎng)目構(gòu)造を有しており、水自體も多量に含まれている。ヒドロゲルは、調(diào)整可能な強(qiáng)度、分解性、機(jī)能的修飾などの特性を備えており、細(xì)胞外マトリックスの微小環(huán)境を模倣する軟質(zhì)材料として使用できるため、ヒドロゲルは醫(yī)療分野で幅広いアプリケーションの見通しを持っています。それは、二次元または三次元の組織工學(xué)足場および薬物の制御放出を準(zhǔn)備するために使用することができます。一般的に使用される3次元印刷されたヒドロゲルペーストは、主に3つのカテゴリに分類されます。1つはアルギン酸、寒天、ゼラチン、セルロース、コラーゲン、絹フィブロイン、ヒアルロン酸などの天然ポリマーから調(diào)製されます。1つのタイプは、合成ポリマーなどから調(diào)製されます。ポリアクリルアミド、ポリウレタン、ポリエチレングリコールなど;もう1つは、合成ポリマーと天然ポリマーで構(gòu)成された複合ヒドロゲルベースのスラリーです。

水溶性合成高分子の中でも、醫(yī)療用ポリビニルアルコール（PVA）は、組織工學(xué)の分野で広く使用されています。 PVAは優(yōu)れた生體適合性を持ち、非毒性で分解しやすく、95°Cで水に溶解でき、ゲルを形成し、粘度が高くなります。 Zhang et al [13]は、相互接続された細(xì)孔を備えたMBG / PVA複合足場を準(zhǔn)備しました。 PVAの添加により、材料の靭性が大幅に向上しました。ラット頭蓋骨欠損モデルを使用した動物実験では、MBG / PVA足場が優(yōu)れた骨誘導(dǎo)活性を有し、骨欠損での新しい骨形成と血管新生を促進(jìn)することも示されました。

現(xiàn)在、細(xì)胞が3Dプリントされたバイオスキャフォールドと共培養(yǎng)される多くの実験があります。結(jié)果はまた、細(xì)胞がさまざまな3次元の足場で生存でき、通常の2次元の培養(yǎng)よりも優(yōu)れていることも示しています。しかし、これはセルとマテリアルの2次元効果にすぎず、セルを印刷システムに直接配置することはありません。新しいアイデアとして細(xì)胞と印刷用ペーストを直接混合することも、研究者の間で広く注目されています。天然のヒドロゲルは、細(xì)胞適合性が良好です。その組成は細(xì)胞外基質(zhì)と類似しており、表面のタンパク質(zhì)や細(xì)胞に付著する能力が弱く、細(xì)胞の代謝過程にほとんど影響を與えません。細(xì)胞を包み込み、栄養(yǎng)素を輸送し、代謝産物を分泌します。アンドレア等。 [14] I型コラーゲンとヒアルロン酸のバイオインク配合をさまざまな比率でテストし、生物活性をサポートしながらバイオプリンティングを可能にし、ネイティブの細(xì)胞-マトリックス相互作用をサポートする最適な配合を決定しました。 。彼らはこの処方を、ヒト初代肝細(xì)胞と肝星細(xì)胞を含む3D肝組織の構(gòu)築に適用し、一般的な肝毒性物質(zhì)であるアセトアミノフェンの効果をテストしました。結(jié)果は、メチルメタクリレートコラーゲンとチオールヒアルロン酸の組み合わせが、間葉系細(xì)胞の成長を調(diào)節(jié)し、薬物を治療するシンプルで印刷可能なバイオインクを生成することを示しています。適切な反応をします。

図3細(xì)胞のバイオプリンティング

3次元プリンティング技術(shù)は大きな応用の可能性を秘めていますが、バイオメディカル分野の主役としてはまだ解決すべき課題が多くあります。問題の 1 つは、3D プリンター自體の機(jī)能の制限にあります。印刷速度や印刷精度は大幅に向上しましたが、依然として最高のレベルに達(dá)していない場合が多くあります。もう 1 つの大きな問題は、代替生體材料の限界です。印刷できる多くの材料にはそれぞれ獨(dú)自の利點(diǎn)がありますが、移植に使用される材料は生理學(xué)的條件の要件を満たし、人體への良好な反応性を備えている必要があります。一般に、理想的な整形外科用材料には、(1) 印刷適性、(2) 生體適合性、(3) 優(yōu)れた機(jī)械的特性、(4) 良好な分解性、および (5) 副生成物の特性が必要です。非毒性かつ分解性、(6) 良好な組織生體模倣特性。プリンタの種類が異なれば材料要件も異なり、これらの特性を完全に満たすことが難しい場合があります。例えば、骨組織工學(xué)では、骨芽細(xì)胞の増殖や負(fù)荷に対応するために高強(qiáng)度の足場材料が必要となる一方で、足場が劣化しにくいという問題も生じる。強(qiáng)度が低く柔らかい材質(zhì)の中には印刷が容易で劣化しやすいものもありますが、負(fù)荷のかかる部分には適用できません。一般に、3 次元プリントされたペーストは、その獨(dú)自の硬度と自然な骨の近接性により、骨および軟骨の修復(fù)の分野で使用されます。基本的に、生體材料の選択は、所望の材料を達(dá)成するためにそれらの性能のバランスを取ることです。

ポリマーバイオスラリーは、特にPLAやPCLなどの安価なエラストマーを?qū)澫螭?、幅広く研究されています。これらの材料は、?yōu)れた生體適合性と機(jī)械的特性を備えており、基板材料として広く使用されています。これらに加えて、將來の研究では、ポリマー材料の分解性、脆性、および細(xì)胞適合性に注意を払う必要があります。 HAやβ-TCPなどのセラミック材料は、伝統(tǒng)的に硬組織工學(xué)の足場に理想的な材料と考えられており、セラミックとポリマーの複合材料の研究でますます使用されています。セラミック材料の追加を改善できます。ステントの強(qiáng)度と複合材料の生物學(xué)的特性。ハイドロゲルバイオスラリーとプリンティングシステムの開発により、多機(jī)能の細(xì)胞搭載モデルシステムのプリンティングに近づき、臓器プリンティングが実現(xiàn)することを期待しています。このプロセスは、超分子ヒドロゲルスラリーの研究から始まりました。最後に、3D印刷技術(shù)を醫(yī)療分野に適用する場合、大量生産の方法、品質(zhì)の管理方法、管理の障害を克服する方法はすべて解決する必要のある問題です。正面道路は長くなっていますが、3Dプリントは最終的にティッシュエンジニアリングと醫(yī)學(xué)の分野で輝きます。

參照

[1]マーフィーSV、アタラA.組織および臓器の3Dバイオプリンティング[J]。 Nature Biotechnology、2014、32（8）：773-785。

[2]グベンディレンM、モルデJ、ソアレスRMDなど。 3Dプリンティング用の生體材料の設(shè)計(jì)[J]。 ACSバイオマテリアルサイエンス＆エンジニアリング、2016年。

[3]バーミューレンM、クラエッセンスT、ヴァンデアスミッセン、ヴァンホルスベーク、デバッカー、ヴァンランスベーク、ヴェルドンク。融合沈著モデリングによる患者固有の光學(xué)的にアクセス可能な気道モデルの製造。 Rapid Prototyping Journal 2013、19（5）、312-318。

[4]ベルトランドP、ベイルF、クームC、グーリオットP、スムロフI.選択的レーザー焼結(jié)によるセラミックコンポーネントの製造。アプリケーションサーフィン。サイエンス。 2007、254（4）、989-992。

[5]ダービーB.組織と足場の印刷とプロトタイピング[J]。サイエンス、2012、338（6109）：921-6。

[6]カン、H.-W .;リー、SJ; Ko、IK;ケングラ、C;ユ、JJ; Atala、A.構(gòu)造的完全性を備えた人間規(guī)模の組織構(gòu)造を生成する3Dバイオプリンティングシステム。 Nat。バイオテクノロジー。 2016、34（3）、312-319。

[7] Xiaoyu Du、Shengyang Fu、Yufang Zhu。骨組織工學(xué)のためのセラミックベースの足場の3Dプリンティング：概要。ジャーナルオブマテリアルズケミストリーB、2018、6：4397-4412。

[8] Fierz FC、Beckmann F、Huser Mなど。異方性3Dプリントされたヒドロキシアパタイト足場の形態(tài)。バイオマテリアル、2008、29（28）、3799-3806。

[9] Jiawei Lu、Fan Yang、Qinfei Ke、Xuetao Xie、Yaping Guo。骨再生および腫瘍に対する光熱療法のための磁性ナノ粒子修飾多孔質(zhì)足場。ナノ醫(yī)療、2018、14（3）：811-822

[10] AE ジャクス、AL ラッツ、SW ジョーダン、A. カナン、SM ミッチェル、C. ユン、KD コウベ、SC ヨー、HE ホワイトリー、CP リヒター、RD ガリアーノ、WK スー、SR ストック、EL スー、RN シャー、超弾性「骨」: 汎用性が高く、成長因子を含まず、骨再生性があり、拡張性があり、外科手術(shù)に適した生體材料、Sci Transl Med、2016、8:358。

[11] Ion Tcacencu、Natacha Rodrigues、Naif Alharbi、Matthew Benningなど。3D印刷技術(shù)を使用して作成された多孔質(zhì)アパタイト-ウォラストナイトとポリ乳酸の複合構(gòu)造のオッセオインテグレーション。 Mater Sci Eng C Mater Biol Appl、2018、90：1-7。

[12] Hoath S. D、Vadillo D. C、Harlen O. G、McIlroy C、Morrison N. F、Hsiao W. K、Tuladhar T. R、Jung S、Martin G. D、Hutchings IM弱いインクジェット印刷弾性ポリマー溶液。 J.非ニュートン流體機(jī)械。 2014、205、1-10。

[13]張、JH;趙、SC;朱、YF;黃、YJ;朱M;タオ、CL; Zhang、CQ骨再生用のストロンチウム含有メソポーラス生物活性ガラス足場の3次元印刷。 Acta Biomater。 2014、10（5）、2269?2281。

[14]アンドレア?マゾッキ、マヘシュ?デヴァラセッティ、リチャード?ハントワーク、シェイ?ソッカー、アレクサンダー?スカルダル。 3Dバイオプリント肝微小環(huán)境のためのコラーゲンタイプI-ヒアルロン酸ハイブリッドバイオインクの最適化。バイオファブリケーション、2018、11（1）：015003。