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インクジェット3Dプリンターで多種細胞を多色造形 ~iPS細胞などから分化した複雑な構造の組織や臓器の印刷実現に期待~

 大阪大学と富山大学は共同で12月12日,大阪大学大学院基礎工学研究科の境 慎司教授,富山大学理工学研究部の中村 真人教授らの研究グループが,インクジェット式のバイオ3Dプリンターで,さまざまな細胞を含む,厚みのある3次元構造物を造形可能な技術を開発したと発表した.本研究は,科学研究費補助金の支援を受けて進められた.また,本成果は,Wiley社が発行するオンライン科学誌Macromolecular Rapid Communicationsに掲載された(注).

 インクジェットプリンターは,微細なインクの液滴を吹き付けながら印字するプリンターで,複数色のインクカートリッジを用いてカラー印刷ができるので,オフィスや家庭向けのプリンターとして広く普及している.この方式を応用したバイオ3Dプリンターは,コンピューター上で作製した設計図に基づいて,細胞よりわずかに大きな直径0.05mm程の液滴を1滴ずつ積み重ねながら3次元的な組織や臓器を造形する.したがって,1細胞レベルで細胞の位置をコントロールした精巧な造形が可能であり,iPS細胞やES細胞から分化誘導させた細胞などを使って,生体の組織や臓器を生体外で再現するための重要な技術になるものとして注目されてきた.バイオ3Dプリンターのインクには,細胞に対して穏和であること,かつ極めて早く固まることが要求される.しかし,そうした特性を満たすインク材料は限られており,ヒアルロン酸やゼラチン,キトサンなど再生医療分野にて,その有用性が広く認められている材料を使うことはできないという課題があった.

 この課題に対し本研究グループは,再生医療分野にて有用性が認められている材料に,西洋わさびに含まれる酵素ペルオキシダーゼを作用させ,瞬時に固まってゼリーのようなゲルを形成する性質を付与した複数のインクを開発した.この酵素は,微量の過酸化水素の存在下で,特定の官能基同士をつなげる反応を促す.細胞を分散させたこれらのインクを,この酵素反応で瞬時に固めながら,細胞を含んだゲルを1滴ずつ積み重ねることで,細胞の生存をほとんど損なうことなく,細胞を含んだ立体構造物を造形することに成功した.マウスの繊維芽細胞は95%程度生存し,細胞の増殖に適したインクを使用することで,実際に細胞が伸びて増殖することを明らかにした.つまり,これまで細胞の増殖や機能発現に有効であることが知られていながら,インクジェット式のバイオ3Dプリンターのインクとして使用できなかった様々な材料をインクとして利用して,組織や臓器の元となる構造物を造形することができるようになった.

 これにより,複数のインクカートリッジにそれぞれ別の細胞とインクを充填して使用することで,iPS細胞やES細胞から分化誘導させた細胞などが,生体の組織や臓器と同じような位置関係で,それぞれの細胞に適した環境に配置された構造体を,インクジェット式のバイオ3Dプリンターで印刷可能となる.組織や臓器のように,血管の周辺に別の細胞がいるような複雑な構造物の造形も可能となり,再生医療分野をはじめとする生命科学の発展に寄与できるものと期待される.

(注)Shinji Sakai, Kohei Ueda, Enkhtuul Gantumur, Masahito Taya and Makoto Nakamura, "Drop-on-drop Multimaterial 3D Bioprinting Realized by Peroxidase-mediated Cross-linking", Macromolecular Rapid Communications, Early View, First published: 11 December 2017, DOI: 10.1002/marc.201700534