3D/4D プリントされたバイオグラフィー

2023 年 7 月 19 日

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国際エクストリーム・マニュファクチャリング・ジャーナルによる

圧電気は骨再生の重要な要素としてよく認識されています。 しかし、現在の積層造形足場は主に生体位相構造と機械的微小環境の再構築に焦点を当てており、骨再生における重要な電気的微小環境（EM）は無視されています。

International Journal of Extreme Manufacturing に掲載されたこの研究は、次世代の骨組織工学におけるバイオ圧電足場の 3D/4D プリンティングの大きな可能性を示しています。

現在の 3D/4D プリンティング技術の能力と、バイオ圧電足場の臨床応用要件との間には、大きなギャップがあります。 その開発には、材料科学、機械工学、生物工学などの学際的な研究の共同努力が必要です。 その広範な採用は、インテリジェント製造、生物医学、機械学習などのいくつかの最先端テクノロジーからもインスピレーションを得ているはずです。

「原理的には、これにより、組織の重要な電気的微小環境を模倣することで骨の修復を促進する、スマートな生物学的圧電足場の設計と製造が可能になります」と香港城市大学の博士研究員であり、この研究の筆頭著者であるアナン・チェン氏は述べた。 。

「本質的に、これは次世代の骨組織工学のためのスマートな足場の構築における潜在的なブレークスルーに向けて新たな啓蒙を提供するものです」と華中科技大学教授のChunze Yan教授と同大学教授のJian Lu教授は述べた。香港城市大学。

この圧電性は人間の骨で実証されており、圧縮または張力を受けると正と負の電荷を生成します。 たとえば、人間の脛骨は歩行中に約 300 μV の圧電電位を生成します。 したがって、圧電材料は骨組織の EM をシミュレートする際に独特の利点を示し、細胞の代謝と新しい骨の形成を大幅に促進できます。

圧電材料の表面電荷はイオンを引きつけて、イオンまたは電荷の相互作用を通じて細胞接着を促進したり、成長因子の発現を活性化して細胞増殖や骨形成分化を改善したりすることができます。

積層製造された生体圧電足場は、非侵襲的な超音波刺激を通じて目的の組織 EM を再構築できます。 外部刺激にさらされたときの 3D 構造の機能が時間に依存して変化するこの動作も、4 次元 (4D) プリンティングと定義されます。 この新しい 4D 機能シフト生体圧電足場は、組織再生のための外部刺激に応答して、時間依存的にプログラム可能な電気生理学的微小環境を提供できます。

チェン氏は、何年も前に発見されたものの、ほとんど無視されていた鉛フリーの生体圧電材料の実験を始めました。 彼は、高度な生物学的応用のための、材料、トポグラフィー、生体機能を統合したバイオ圧電材料の 3D/4D プリンティングに焦点を当てました。

科学者たちが驚いたことに、バイオ圧電材料は優れた加工性と生体適合性を示しました。 さらに、それらは多細胞誘導性でした。 「私たちは、それらの電気微小環境が骨細胞の分化を誘導し、血管細胞の補充と神経細胞の修復を促進できることを発見しました」とチェン氏は述べた。 これは臨床応用の大きな可能性を示しています。