3Dバイオプリンティングによるセルロース/コラーゲンベースの薬剤放出フィラーを用いた深部トンネル創傷の治療

学術的背景

深部トンネル創傷（tunneling wounds）は、皮膚表面下に形成される複雑な創傷であり、その形状や大きさは多様で、ねじれや曲がりを持つことがあるため、治療が非常に困難です。既存の創傷ケアソリューションは主に表在性創傷を対象としており、未治療のトンネル創傷は重大な健康問題を引き起こす可能性があります。そのため、深部トンネル創傷を効果的に充填し、治癒を促進する材料の開発が重要です。本研究では、天然ポリマー（セルロースやコラーゲンなど）を使用してトンネル創傷フィラー（Tunnel Wound Fillers, TWFs）を調製し、真皮細胞外マトリックスを模倣することで、この課題を解決することを目指しています。

論文の出典

この研究は、Mano Govindharaj、Noura Al Hashimi、Soja S. Soman、Jiarui Zhou、Safeeya Alawadhi、およびSanjairaj Vijayavenkataramanによって共同で行われました。研究チームは、ニューヨーク大学アブダビ校のVijay Labおよびニューヨーク大学タンドン工学部の機械・航空宇宙工学科に所属しています。この論文は、2024年10月22日に『Bio-design and Manufacturing』誌にオンライン掲載されました。

研究の流れ

1. セルロースマイクロファイバー（CMFs）の抽出とコラーゲンコーティング

研究ではまず、バナナの茎からセルロースマイクロファイバー（CMFs）を抽出し、化学的および機械的方法を用いて精製しました。その後、CMFsは魚皮由来のコラーゲンでコーティングされ、その生物活性が向上しました。このステップは、走査型電子顕微鏡（SEM）、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、およびラマン分光法によって検証され、コラーゲンがCMFsに成功裏にコーティングされたことが確認されました。

2. バイオインクの調製と3Dプリンティング

研究チームは、3種類の異なるCMF含有量（25、50、75 mg）のバイオインクを調製し、そのレオロジー特性をテストしました。その結果、50 mgのCMF含有量のインクが最も優れた3Dプリンティング性能を示しました。その後、RegenHU 3D Discoveryバイオプリンターを使用して、3層構造のTWFsをプリントしました。プリント後のフィラーは、イオン架橋（CaCl₂を使用）によって安定化処理されました。

3. 薬剤放出と細胞負荷

TWFsには抗生物質薬剤であるBaneocinが負荷され、異なるpH条件下での薬剤放出挙動が体外実験でテストされました。その結果、酸性環境（pH 5）では、中性環境（pH 7）に比べて薬剤放出速度が顕著に高くなることが示されました。さらに、TWFsにはヒト間葉系幹細胞（hMSCs）が負荷され、Alamar Blue実験および生細胞/死細胞染色によって細胞の生存と増殖が確認されました。

4. 体外創傷治癒実験

研究では、マウス胚性線維芽細胞（MEFs）を用いてスクラッチアッセイを行い、TWFsの創傷治癒促進効果を評価しました。その結果、CMF/コラーゲン/アルギン酸ナトリウム（alginate）の組み合わせによるTWFsは、48時間以内にスクラッチ領域をほぼ完全に覆い、最良の創傷治癒効果を示しました。

5. 鶏組織モデルによる検証

最後に、研究チームは鶏胸肉組織上に深部トンネル創傷モデルを作成し、3DプリントされたTWFsを創傷に挿入しました。その結果、TWFsは優れた構造安定性と柔軟性を示し、創傷の複雑な形状に適応し、湿潤環境を提供することで創傷治癒を促進することが確認されました。

主な結果

1. CMFsの抽出とコラーゲンコーティング：SEM、FTIR、およびラマン分光法による分析により、コラーゲンがCMFsに成功裏にコーティングされ、その生物活性が向上したことが確認されました。
2. バイオインクのレオロジー特性：50 mgのCMF含有量のインクが最も優れた3Dプリンティング性能を示し、TWFsの調製に適していることがわかりました。
3. 薬剤放出挙動：TWFsは酸性環境下でより高い薬剤放出速度を示し、感染性創傷での使用に適していることが示されました。
4. 細胞の生存と増殖：hMSCsを負荷したTWFsは、7日間で顕著な細胞増殖を示し、良好な生体適合性を有することが確認されました。
5. 体外創傷治癒：CMF/コラーゲン/アルギン酸ナトリウムの組み合わせによるTWFsは、48時間以内にスクラッチ領域をほぼ完全に覆い、最良の創傷治癒効果を示しました。
6. 鶏組織モデルによる検証：TWFsは深部トンネル創傷の複雑な形状に適応し、湿潤環境を提供することで創傷治癒を促進することが確認されました。

結論

本研究では、深部トンネル創傷の治療のために、セルロースとコラーゲンを基盤とした3層構造の薬剤放出フィラー（TWFs）を開発しました。このフィラーは、優れた生体適合性、薬剤放出能力、および創傷治癒促進効果を有しています。3Dプリンティング技術を活用することで、TWFsは創傷の形状や大きさに応じてカスタマイズ可能であり、幅広い応用が期待されます。

研究のハイライト

1. 革新的な材料：バナナの茎から抽出したセルロースマイクロファイバーと魚皮由来のコラーゲンを使用しており、環境に優しく持続可能です。
2. 3Dプリンティング技術：3Dプリンティング技術を用いて調製されたTWFsは、創傷の形状や大きさに応じてカスタマイズ可能であり、高い柔軟性を有しています。
3. 薬剤放出と細胞負荷：TWFsは抗生物質薬剤や幹細胞を負荷することができ、創傷治癒と組織再生を促進する可能性を秘めています。
4. 体外および体内検証：体外実験および鶏組織モデルを用いて、TWFsの有効性と適用性が検証されました。

研究の価値

この研究は、深部トンネル創傷の治療に対する革新的なソリューションを提供し、科学的および応用的な価値が高いものです。3Dプリンティング技術を活用することで、TWFsは個別の患者のニーズに応じてカスタマイズ可能であり、個別化医療を実現します。さらに、この研究は、生体材料や組織工学の分野に新たな視点と方法を提供しています。