5D印刷：包括的ガイド

概要とコンセプト

2013年2月、アメリカ人のスカイラー・ティビッツが4Dプリンティングの概念を発表し、その5カ月後には西安交通大学の呂炳恒学長が5Dプリンティングの概念を提唱した。

2013年7月29日付の中国情報週刊誌に掲載された「3Dプリンティング技術の発展ロードマップ」と題する記事の中で、呂炳恒学長は、5Dプリンティングは現在の細胞プリンティングの形態であり、私たちが必要とする生体組織や臓器をプリンティングで作成することができると初めて指摘した。

彼はさらに何度も5Dプリンティングについて説明し、時間が進むにつれて形が変わるだけでなく、機能も進化していくと説明した。例えば、人間の臓器を印刷する場合、足場を印刷した後、その中に人間の細胞を組み込み、適切な環境下でさまざまな組織に変化し、最終的に臓器になる。

もちろん、5Dプリンティングは単純な概念以上のものである。4Dプリンティングが自己組織化のためのスマート材料を使用して3Dプリンティングに時間の次元を追加するのであれば、5Dプリンティングは自己成長する能力を導入する。

第一に、5Dプリンティングは依然として3Dプリンティング技術機器を使用するが、プリントされる材料は生きた細胞であり、生命力を持つ生物学的に活性な因子である。このような生体材料は、その後の開発の過程で機能的な変化を遂げなければならないため、最初から完全なライフサイクル設計を考慮しなければならない。

第二に、現在のいわゆる自由形状5D製造の中には、製造技術レベルでの5軸加工を指すものもあるが、これはまだ3D製造の領域内であり、5Dプリンティングの概念とは全く異なるもので、科学技術革新における主導的役割を欠いている。

明らかに、5Dプリンティングは、静的な構造と固定された性能を特徴とする従来の製造業を、動的で変更可能な機能性へと変化させ、従来の製造業のパラダイムを打破し、構造的知性と機能的生成の方向へと向かうだろう。

これは、製造技術と人工知能に破壊的な変化をもたらし、非生命体の製造を、形状や特性を変化させる能力を持つ生命体のようなものへと進化させるだろう。

近い将来、この技術は人間の臓器移植や医療サービスに革命をもたらすかもしれないし、長期的には、製造科学や生命科学に新たな方向性を生み出し、人工知能の画期的な発展を牽引する可能性を秘めている。

5Dプリンティングの背景

5Dプリンティングの本質は、生命機能を持つ組織を作製し、機能的な臓器をオーダーメイドで製造する能力を人間に提供することにある。人工組織や臓器の製造技術は、世界的な製造大国が支える重要な分野である。

例えば、米国の「2020年に向けた製造業の課題に関する展望」では、ハイテク分野の主要な方向性のひとつとして生体組織の製造が挙げられている。また、欧州委員会の「製造業の未来に関する戦略報告書：2015-2020」では、バイオテクノロジーが製造業の未来を支える4大分野のひとつと位置づけられ、生体材料と人工補綴の開発に重点を置くことが示唆されている；

日本機械学会の技術ロードマップでは、組織再生を促進するマイクロ・バイオメカニクスを10の研究方向性の一つとして取り上げている。国際的にも国内的にも、個別化されたヒト代替物や膜様活性組織の製造において、部分的な臨床応用や工業化が達成されている。

しかし、複雑な活性組織や臓器を工学的に作製するには、まだ多くの課題がある。現在、世界には生物学的3D技術の研究開発を専門とする300以上の機関や企業がある。

そのなかでも、米国のウェイクフォレスト再生医療研究所は、幹細胞をプリントし、機能的な骨組織の分化を誘導することに世界で初めて成功し、米陸軍再生医療研究所と共同で3D皮膚プリンターを開発し、"人工腎臓 "に似た構造を3Dプリントするなど、生物学的3Dの分野で一連の先駆的な成果を上げている。

国際的には、異種集積血管網構造や異種集積細胞プリンティング装置が開発され、ヒトの頭蓋骨パッチや耳の軟骨のような細胞異種構造が作られている。

中国では、骨、歯、耳の軟骨足場、血管構造の印刷が実現し、予備的な臨床応用が行われている。膠芽腫幹細胞モデルや多細胞異種脳腫瘍繊維モデルも製造されている。清華大学、西安交通大学、浙江大学、華南理工大学、四川大学、吉林大学など、中国の有名大学がこの分野で綿密な研究を行っている。

一部の国内バイオ製造分野と国際的な先進レベルとの差は縮まりつつあり、世界的に主導的な地位を獲得しているものもある。

5Dプリンティングの主要課題

5Dプリンティングは、製造技術とライフサイエンス技術の融合を意味し、意図的な設計、製造、規制が核となる。主な重要課題は以下の5点である。

(1) 機能に基づく生命体の構造設計と製造

生命体の自己成長特性に関する理解を基礎として、細胞や遺伝子の構造的・機能的設計に関する理論を、要素段階および成長過程全体にわたって開発する必要がある。

主な課題としては、第一に、構造設計と機械的機能に焦点を当てた既存の機械設計理論を打破し、構造、作動、機能を共進化させる設計手法を開発すること、第二に、細胞や遺伝子の複製と自己複製を支配する法則を理解し、独自のルールに従って成長する初期状態の細胞の構成と構造を設計すること、などが挙げられる；

そして第三に、分解可能で、十分な工学的強度を持ち、特定の環境下で活性化・成長可能な生命体の材料、製造プロセス、工学的制御方法に関する研究を行うことである。

(2)5Dプリンティング技術による生活ユニットの制御とバイアビリティの維持

5Dプリンティングでは、生きたユニットが組織の成長と発達の基礎となり、単一の細胞や遺伝子がその後の機能発現の中核を構成する。これらの生きたユニットをマイクロ・ナノスケールで集積するためには、その積層原理と相互関係を研究する必要がある。

細胞間の関係を調整することで、3次元の空間構造と機能を制御し、組織の成長と機能再生を促進することができる。5Dプリンティングの特徴は、生命体の機能的再生であり、その生存能力を維持することが最も重要である。

したがって、生体の製造には、生物学的環境と印刷プロセスの相乗効果を生み出すために、培養液中の栄養素、酸素、二酸化炭素、その他の大気条件の制御を含む、適合する培養環境を提供する必要がある。

(3) 機能形成と成分機能発現のメカニズム

特定の環境において、さまざまな材料や構造がさまざまな組織や機能に成長することを可能にするメカニズムやプロセスの革新を研究することが不可欠である。5Dプリンティングにおける初期構造や機能は、特定の環境において最終的な機能へと発展する必要がある。

そのためには、機能形成とデザイン製造の関係や、多細胞系における経時的な機能変化の法則を理解する必要がある。

これには、細胞の相互接続と相互作用の関係も含まれ、その作用によって、エネルギー（筋肉細胞）の放出や情報（ニューロン）の伝達のための機能を構築し、多機能デバイスの開発のための技術的基盤を提供する。

(4) 情報キャリアと伝導組織の構築

生命体は、動物や人間におけるニューロンの役割と同様に、情報によって制御可能な機能組織である。5Dプリンティングでは、どのような材料や構造が神経機能を代替できるのか、電気信号や化学信号をどのように正しく伝達するのか、組織における様々な機能性の形成をどのように促進するのかを探求することが極めて重要である。

神経組織や脳のような組織を研究することは、人間の自然な特性に基づいた情報伝達組織を確立することにつながり、脳のような自然な組織を持つ人工知能に向けてさらに前進することになる。

現在の人工知能におけるディープラーニングは、モデルの推測、データトレーニング、継続的な学習の蓄積に依存しており、さらには、飛行機が鳥に取って代わったように、人工知能の機能を実現するために生物学的な遺伝的アルゴリズムを使用している。

将来的には、脳のような存在が5Dプリンティングを使って、再現された臓器や人工臓器にチップを埋め込んだり、人間の脳神経細胞のランダムな相互接続性から学んで強力な生物学的チップを作ったり、遺伝子を利用して生物学的に活性な脳を完全に複製したりするかもしれない。

人工頭脳、人間本来の臓器、さまざまな人工臓器間の情報収集、意思決定制御、作動は、さらなる研究と革新が待たれる分野だ。

(5) 多機能デバイス・組織の製造と機能評価

5Dプリンティング技術の導入においては、設計と製造の原理を理解することが不可欠である。特定の臓器や生物学的デバイスをターゲットとする場合、体系的な構造的・機能的成長設計に取り組まなければならない。

これには、5Dプリンティングにおける細胞や遺伝子の組み合わせを制御する方法、プリンティング中にプロセスに起因する生体への損傷を制御する方法、形成された器官やデバイスの機能を管理する方法、さらには細胞成長における介入やガイダンスを理解することが含まれる。

5Dプリンティングと機能形成の関係を理解し、多機能デバイスや組織の機能を評価・計測し、生命体設計、ダメージレスプリンティング、機能創出を統合した研究体制を構築する必要がある。これにより、生物学的特性を有する臓器やデバイスの開発に必要な技術的支援を提供する。

5Dプリンティングの発展方向

5Dプリンティングは、製造を木材、金属、シリコンなどの素材から生物学的素材へとシフトさせ、不変の構造から機能的再生が可能なデバイスへと移行させる。

これを達成するためには、機能性に導かれた革新的な設計と製造技術を確立し、学際的な統合を通じて製造技術を進歩させることが極めて重要である。西安交通大学機械製造システム工程国家重点実験室は、5Dプリンティングの開発方向について有望な研究を行っている。

(1) 心臓組織の製造

心筋梗塞は、人間の健康に重大な脅威をもたらす重篤な疾患である。既存の人工心筋パッチは電気生理学的特性を欠き、宿主心筋との電気信号伝導を確立できないため、同期収縮を達成できず、梗塞心筋の機能回復を著しく損なう。

そのため、従来の心臓組織に導電性センシング機能を組み込む研究が求められている。これには、マルチマテリアル・マイクロ／ナノ3Dプリンティング技術を用いて、導電性センシング心臓スキャフォールドの統合的かつ制御可能な製造を実現することが含まれ、心筋梗塞の病態と治療を探求する新たな手段を提供する。

この研究は、従来の足場製作からスマートな導電性センシング足場の開発へとバイオマニュファクチャリングを推進するものである。天然の心臓細胞外マトリックスのマイクロ／ナノファイバー構造をシミュレートすることにより、マイクロ／サブミクロスケールの複合導電性ファイバーマルチマテリアルの静電印刷技術に関する研究が行われた。

溶融静電印刷法を用いて、直径9.5μm±1.5μmのポリ（カプロラクトン）（PCL）マイクロファイバーを作製し、溶液静電印刷法を用いて、直径470nm±76nmのポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）/ポリ（スチレンスルホン酸）/ポリエチレンオキシド（PEDOT:PSS-PEO）の導電性ファイバーを作製した。

PEDOT:PSS-PEOサブマイクロスケール導電性繊維は優れた導電性を示し、導電率は1.72×10³S/mであった。層ごとの集積法を採用することにより、図8-17に示すように、さまざまな配向をもつ多層マイクロファイバースキャフォールドとマイクロ／サブマイクロスケールの導電性スキャフォールドからなる多層複合スキャフォールドが作成された。

多層複合スカフォールドは繊維方向に良好な機械的特性を示し、弾性率は約13.0MPaであった。スカフォールドの導電性を測定したところ、PEDOT:PSS-PEOサブマイクロスケール導電性繊維の添加により、スカフォールドの導電性が著しく向上することが示された。

さらに、マイクロ／サブマイクロスケールの導電性足場は、水性環境でも安定した導電性を維持し、その後の細胞実験の基礎を築いた。

一次心筋細胞は、心臓組織で最も重要な細胞であり、心臓の収縮と血流の力を供給する。

前述の多層複合足場が、ラット初代心筋細胞の配向成長と同期拍動に及ぼす影響について研究した。8日間の共培養後、初代心筋細胞はマイクロメートルスケールのPCL繊維に沿って成長し、サブマイクロメートルのPEDOT:PSS-PEO導電性繊維上に複雑な配向細胞ネットワークを形成することが観察された。

細胞はまた、心臓特異的タンパク質であるα-アクチニンとCX43を大量に発現した。蛍光定量分析により、サブマイクロメートルのPEDOT:PSS-PEO導電性繊維に発現したこれらのタンパク質の量は、マイクロメートルのPCL繊維に比べて有意に多いことが明らかになった。

これは、サブマイクロメートルのPEDOT:PSS-PEO導電性繊維が足場の導電性を高め、細胞間の電気信号伝達、タンパク質発現、心筋細胞の拍動能力を改善したことを示している。さらに、多層導電性足場の層状で配向したデザインは、初代心筋細胞の同期拍動をさらに促進した。

(2) 脳様組織の製造

神経科学は今日の科学研究において最も重要な方向性のひとつであり、国家間の科学競争の頂点でもある。2013年、アメリカのオバマ大統領は「ブレイン・イニシアチブ」を発表し、それに続いて欧州連合（EU）は「ヒューマン・ブレイン・プロジェクト」を、日本は「ブレイン／マインズ・プロジェクト」を立ち上げた。

中国の「第13次5カ年計画」では、脳科学と脳類似研究は100の主要プロジェクトの中で4位にランクされている。世界保健機関（WHO）によると、パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉症、うつ病などの脳疾患は、心血管疾患や癌よりも大きな社会的負担となっている。病因の解明が限られているため、ほとんどすべての症例で有効な治療法がない。

脳科学や脳疾患研究において、ヒト脳組織ドナーの不足は大きなボトルネックとなっている。動物脳組織はヒトの脳の特徴を完全に表現することはできない。したがって、天然のヒト脳組織を忠実に模倣したin vitroモデルを構築することは、神経科学の進歩にとって避けられない要件である。

脳組織におけるニューロンの機能とそのシグナル伝達は、認知機能の基本である。これらの細胞の配置、種類、皮質層内の密度は、大脳皮質の機能ゾーンを支えている。脳を理解することから脳を創造することへと進むことは、脳のようなコンピュータを開発する方向性を示している。

脳組織のin vitro形態学的・機能的構築は、標的機能領域に対応するニューロンタイプ、構築構造、ニューロンの組み合わせのバイオミメティックデザインと精密な製造に依存する。これは、生物学的脳機能5Dプリンティングが追求すべき、将来を見据えた方向性である。

脳様組織をin vitroで構築する装置の開発において、細胞印刷／培養統合システムを設計し、組み立てた。様々な細胞やマトリックス成分を同時に印刷することができ、印刷ヘッド速度は100～1000mL/min、X-Yワークテーブル移動精度は20μm以下である。

厚さ100～300μmの組織層をプリントでき、プリントチャンバー温度は37℃±1℃に保たれる。酸素と二酸化炭素の濃度は調整可能で、濃度偏差は±1%以内であり、図8-18に示すように、多細胞の脳様組織をin vitroでプリントするための装置プラットフォームを提供する。

既存の印刷装置に基づき、印刷プロセスパラメーターは神経細胞印刷の要件に対応するよう最適化され、印刷後の細胞生存率が94%を超える初代ラット神経細胞を封入した3次元の生存神経組織の作製を達成した。

天然の脳組織は、主にニューロンと神経グリアという2種類の神経細胞から構成されている。前述のプラットフォームを利用して、純粋な神経細胞組織、神経細胞とグリア細胞の混合組織、神経細胞とグリア細胞があらかじめ定義された3次元空間配置で共存する複雑な組織構造のモデルを構築した。

このセットアップにより、様々な空間的構造関係のもとで、活性脳様組織ニューロンとグリア細胞をin vitroで共培養することが可能になった。研究によると、グリア細胞に隣接し、かつ層状に配置されたニューロンは、in vitroで単独培養したニューロンに比べ、天然の脳組織を彷彿とさせる形態と生化学的発現を示すことができる。

このモデルは、神経膠細胞と神経細胞の共存を三次元的な視点から、より正確に表現し、研究基盤を提供するものであり、その後の脳科学の取り組みや、in vitroモデルを用いた病態薬理学的研究の基礎を築くものである。

(3) 生体力学的共生体

既存の機械は、低いエネルギー変換効率と柔軟性によって制限されている。生きている筋肉組織や細胞を動力源とする多方向の柔軟な生体触発ロボットは、高いエネルギー変換効率、本質的な安全性、機敏な動きを持つ生体共生機械の未来を代表するものである。そのためには、バイオインスパイアロボット用の多細胞／多材料複合材料製造法の研究が必要である。

この研究は、生体システムと機械システムを統合した生命に近いロボットの機関車機能要件に基づき、再現可能でカスタマイズ可能な迅速製造アプローチを提供することを目的としている。

生物体の設計においては、筋細胞を培養・分化させるための負のポアソン比の足場微細構造を開発した。この設計により、筋細胞の分化度と筋組織の収縮力を高めると同時に、生物体の長期的な活性を維持するために必要な保護と栄養素を提供する。

生物体の製造に関しては、3Dプリンティングを用いて生体部品を作製した。骨格筋細胞の増殖と分化に関する実験的研究により、これらの細胞が成熟した筋繊維に分化できることが明らかになり、機能的な生物体の構築の基礎が築かれた。さらに、ウミウシから着想を得て、這うバイオ・メカニカル・ハイブリッド・ロボットを構築した。

生体機能制御の観点から、多磁場結合刺激プラットフォームを確立した。バイオニック環境エンリッチメント刺激（電気的、機械的刺激など）が生体本体の駆動性能に及ぼす調節機構に関する研究を行った。

バイオインスパイアードロボットの走行性能に関して、ロボットの2次バネ・ダンパー系に基づく運動学的・動力学的モデルを開発した。運動学・動力学実験プラットフォームを用い、ロボットの走行性能試験を行った。その結果、周波数50Hz、電圧1Vの矩形波パルス刺激下で、ロボットは2mm/sの速度で這い進むことができた。

前述の研究は、生体ロボットの将来の可能性を探るものである。