3D 바이오 프린팅으로 콜라겐 생성
콜라겐은 신체의 대부분의 조직과 기관의 주요 구성 요소이지만 실험실에서 3D 인쇄를 사용하여 생산하기가 어렵다는 것이 입증되었습니다. 미국 피츠버그에있는 카네기 멜론 대학교 (Carnegie Mellon University)의 연구팀은 콜라겐을 함유 한 3D 프린트 심장 조직에 지원 젤을 사용하는 새로운 기술을 개발했습니다. FRESH (현탁 된 하이드로 겔의 자유 형태의 가역적 매립을위한)라고 불리는이 방법은 모세 혈관에서 전체 기관에 이르기까지 다양한 규모로 심장의 일부를 생성 할 수 있습니다. 이 구조는 인간의 심장 근육 세포를 사용하여 만들어 질 때에도 수축됩니다.
3D 프린팅 (첨가제 제조라고도 함)은 1980 년대 이래로 존재 해 왔지만, 연구원들은 재생 의학에서 응용을 위해 생물학적 세포와 구조를 제작하는 데 지난 20 년 동안 사용했습니다. 이 기술은 최근에 패턴 화 된 조직, 살아있는 세포 및 영양소로 관류 될 수있는 혈관 형 네트워크, 및 이식 가능한 스캐 폴드의 제조와 함께 도약하고있다. 그러나 생체 세포와 콜라겐과 같은 세포 외 기질 (ECM) 단백질과 같은 연질 생체 물질을 인쇄하는 것은 어려웠습니다.
“부드럽고”한”
"이것은 세포와 조직이 부드럽고 뾰족하기 때문에 붕괴없이 3D 인쇄가 거의 불가능하다는 것을 의미합니다."라고 연구 책임자 Adam Feinberg 는 설명합니다 . "사실 지금까지 3D 바이오 프린팅은 일반적으로 매우 얇고 작은 발판으로 제한되어 왔습니다. 우리 연구에서 세포와 하이드로 겔 (젤라틴과 유사한)이 붕괴되는 것을 방지하는 '지원'젤 내부에 3D 바이오 프린팅을 통해이 문제를 해결했습니다.”
연구원들은이 기술을 이용하여 신체의 주요 구조 단백질 인 3D 프린트 콜라겐을 처음으로 우리가 플라스틱, 금속 및 기타 재료로 3D 프린트 할 수있는 것과 같은 용이함을 얻을 수 있다고 말합니다. "이것을 할 수 있다는 것은 실제로 생물학적 기능을 가진 스캐 폴드와 조직을 인쇄 할 수 있음을 의미합니다."라고 Feinberg는 말합니다.
새롭게 개선 된 FRESH
이 팀은 2015 년에 FRESH 기술을 처음으로 도입했으며 pH의 급격한 변화를 이용하여 콜라겐을 자체 조립하고 고 화시키는 새로운 개선 버전을 개발했습니다. 상기 방법은 3D 프린터의 바늘로부터 변형되지 않은 콜라겐을 함유하는 바이오 잉크를 압출함으로써 작동하는데, 여기에는 인쇄 동안지지를 제공하는 젤라틴 미립자 슬러리로 구성된 특수지지 욕이 포함된다. 바늘은 콜라겐과 세포의 얇은 층을 밀어 내고이 층들은 서로 겹쳐서 3D 물체를 만듭니다. 인쇄가 완료되면 연구원들은 온도를 상온에서 체온 (37 ° C)으로 올렸다. 서포트를 부드럽게 녹여 인쇄 된 스캐 폴드를 푼다.
연구자들은이 기술은 살아있는 세포 나 복잡한 혈관 형 네트워크에 최대 20 미크론의 인쇄 해상도로 더 내장 될 수있는 기능적 아키텍처로 복잡한 구조를 생성 할 수 있다고 말했다. 인간의 심장 근육 세포를 사용하여 인쇄 된 심실은 동 기적으로 수축 할 수 있으며 실제 심장처럼 특정 방향으로 활동 전위를 전달할 수 있습니다. 심장 수축은 최대 수축으로 알려진 심장 박동 단계에서 14 %까지 두꺼워지며 다시 실제 실제 장기와 유사합니다.
환자 별 해부학 적 구조
연구원들은 또한 환자 별 해부학 적 구조를 만들 수 있다고 말합니다. "Feinberg는 설명합니다. “이를 통해 환자와 일치하는 3D 컴퓨터 모델을 만들 수 있습니다. 다음으로 우리는 컴퓨터를 사용하여 심장 판막의 3D 모델을 3D 프린터로 지시하는 지침으로 변환합니다. "
현재 FRESH로 달성 할 수있는 해상도와 충실도로 3D 바이오 프린트 콜라겐에 대한 다른 방법은 없다고 그는 Physics World에 말했다 . “이 기술은 수정되지 않은 콜라겐도 사용할 수 있습니다. 즉, 순수한 콜라겐을 인쇄하고 pH 변화를 사용하여 액체 콜라겐을 젤로 변형 할 수 있습니다. 콜라겐을 인쇄 할 수있는 다른 방법은 일반적으로 콜라겐을 화학적으로 수정하거나 다른 재료와 혼합하여 인쇄 성을 향상시켜야했습니다.”
조직 공학 및 재생 의학의 광범위한 응용
Science 10.1126 / science.aay0478 에서보고 한 연구에서 연구원들은 심장과 그 구성 요소를 만드는 데 집중했습니다. Feinberg는“그러나 실제로 흥미로운 것은 거의 모든 조직과 기관의 주요 단백질 인 콜라겐이 조직 공학과 재생 의학에 광범위하게 적용된다는 것입니다. 우리는 또한 FRESH를위한 맞춤형 바이오 프린터를 개발했으며 연구 커뮤니티가 널리 채택하기를 희망하는 오픈 소스 하드웨어로 디자인을 발표했습니다. 이것은 앞으로 몇 년간 다양한 질병에 대한 새로운 연구와 궁극적 인 치료법으로 이어질 것”이라고 말했다.
연구진은 심장 근육의 형태와 기능이 어떻게 작용 하는지를 이해하기 위해 초기에는 심장의 더 복잡한 세포 화 모델을 계속해서 만들었지 만, 장기간에 심장의 손상 부위를 대체하기 위해 바쁘다고 말한다. "우리는 또한 손상된 골격근을 복구하기위한 콜라겐 스캐 폴드 구축, 기관 및 기타 조직 재생, 유방암 치료를 연구하고 개선하기 위해보다 현실적인 유선 관 모델을 만드는 등 신체의 다른 부분을 연구하고 있습니다."