世界的な臓器不足のため、移植を受けられる前に亡くなる患者が多くいます。
組織工学と呼ばれる新興分野では、臓器の損傷に対する恒久的な解決策として、人工組織や臓器代替物の作製に取り組んでいます。
生体工学の研究者は、スキャフォールドと呼ばれる3Dの一時的な臓器構造を開発しています。
これらは損傷した組織の再生を助け、人工臓器の作製につながる可能性があります。
世界的な臓器不足と臓器提供者の限界により、数千人の患者が次のような場合に臓器や組織を必要としています：重傷、病気または遺伝性疾患。これらの患者の多くは移植を受けられる前に亡くなっています。
組織工学は、損傷の置き換えや修復のための恒久的な解決策として、人工組織や臓器代替物の作製に取り組む新興分野です。
生体工学の研究者として、私たちは、損傷した組織の再生や人工臓器の作製につながる可能性がある、スキャフォールドと呼ばれる3Dの一時的な臓器構造を開発しています。これらの組織は、生体材料で構築された構造における神経修復を含め、さまざまな組織工学の応用にも使用できます。
組織の3Dプリント
世界では毎年約2,260万人の患者が、末梢神経系の損傷を治療するために神経外科的介入を必要としています。この損傷は、主に自動車事故、暴力、労働災害、難産などの外傷性の出来事によって引き起こされます。世界の神経修復・再生に関する費用は、2025年までに4億ドルを超えると予測されています。
現在の外科的手法では、外科医が神経の端を再接続し、神経の成長を促すことができます。しかし、損傷した神経系の回復は保証されず、機能の完全な回復はほとんどありません。
ラットを用いた動物実験では、損傷によって2センチメートルを超える神経が失われた場合、隙間を適切に埋めることができず、筋機能や感覚の喪失につながる可能性があることが示されています。この状態では、特に大きな神経損傷の場合、損傷した神経の両端をつなぐためにスキャフォールドを使用することが重要です。
3Dバイオプリンティングは、3D構造物を層ごとに造形します。3Dプリンターと同様です。この技術を用いて、私たちの研究チームは、患者の神経細胞と生体材料からなる多孔質構造を作製し、損傷した神経をつなぎました。ヒトの体が拒絶反応を示さないため、藻類由来のアルギン酸塩を使用しました。
この技術はまだ人間で試験されていませんが、改良されれば、可能性を秘めており、組織や臓器の移植を待つ患者の助けになると考えられます。
材料の課題
アルギン酸塩は、3Dプリント中に容易に潰れてしまうため、扱いが難しい材料です。私たちの研究では、その造形性を向上させるための新しい技術の開発に焦点を当てています。
神経修復において、アルギン酸塩は生細胞の増殖や機能に適した特性を持っていますが、3Dプリントにおける造形性が低いため、その製造が大きく制限されています。つまり、印刷工程中にアルギン酸塩が容易に流れてしまい、構造が潰れてしまいます。私たちは製造方法を開発しました。これは、3Dプリンターで作製された多孔質のアルギン酸塩構造の内部に細胞を封入するものです。
従来の研究では、神経再生を改善するために成形技術を用いて、多孔質構造を持たないバルク状のアルギン酸塩を作製していましたが、細胞はこのような固い環境を好みません。しかし、多孔質のアルギン酸塩構造を3Dプリントすることは困難であり、しばしば不可能です。
私たちの研究では、成形されたバルク状のアルギン酸塩ではなく、アルギン酸塩を層ごとに印刷して多孔質構造を作製することで、この課題に取り組んでいます。この構造は相互に連結した細孔を持ち、細胞にとって適した環境を提供します。細胞同士は容易に情報をやり取りし、再生を開始することができ、3Dプリントされたアルギン酸塩がその一時的な支持体となります。
研究者らは、神経損傷やその他の損傷を抱える患者のための3Dプリント構造の実用化に向けて取り組んでいます。
世界経済フォーラムは第四次産業革命に関して何に取り組んでいますか？
フロンティア技術・イノベーションセンターは、科学者、政策立案者、ビジネスリーダーを結びつけ、新興技術とその現実世界への影響を理解するための取り組みを進めています。
このセンターは、協働と実験を可能にすることで、パートナーが研究から得られたイノベーションを、世界共通の課題に対処する実践的な応用へと転換することを支援しています。
作製されたアルギン酸塩構造が患者に移植された後、大きな問いは、体内の組織によって加えられる力に耐えられるだけの十分な機械的安定性を持つかどうかです。私たちは新しい数値モデルを開発し、アルギン酸塩構造の機械的挙動を予測しました。
私たちの研究は、細胞の応答を理解するのに役立ちます。これは、アルギン酸塩構造の成功を評価する際に考慮すべき主要な要因です。
