マイクロゲル技術は、再生医療および組織工学アプリケーションのための強力で汎用性の高いツールとして登場しました1。バルクの対応物と同様に、ミクロゲルは、高い含水率、調整可能な物理化学的特性、および天然の細胞外環境の模倣によって特徴付けられます。製造技術の進歩により、ミクロゲルはさまざまな天然ポリマーと合成ポリマーからさまざまな形状やサイズで製造できます。また、細胞や治療薬の制御されたカプセル化にも利用できます。従来のバルクヒドロゲルと比較したマイクロゲルの主な利点の 1 つは、簡単に注射できるため、細胞貨物、薬物、または組織修復のための生物学的足場を低侵襲で送達できることです。さらに、モジュール式ミクロゲルシステムは、異なる特性を持つミクロゲル集団を混合することで簡単に実現できますが、従来のヒドロゲルにマイクロゲルを埋め込むことで、ソフトマター複合材料への道筋が提供されます。多くのミクロゲルが詰まった状態に充填されると、粒状ゲル、動的なマクロスケール特性を持つバルク材料が生成され、埋め込まれた3次元(3D)プリントのサポートバスとして、または3Dプリントインクとして活用できます。この論文集では、マイクロゲルの製剤化と製造のための幅広い方法、および潜在的な生物医学用途へのそれらの利用について探求しています。
ミクロゲルを大量に生成するための、費用対効果が高く、エマルジョンフリーで、技術的に要求の厳しいアプローチが非常に必要とされています。これに対処するために、Muirらは、押出フラグメンテーション2を介してノルボルネン修飾ヒアルロン酸(HA)ミクロゲルを生成するためのエレガントなプロトコルを実証しました。光架橋されたバルクヒドロゲルは、連続的に小さい直径の一連の針を通して押し出されました。次に、断片化されたマイクロゲル粒子を真空駆動ろ過によってジャムし、押出ベースの3Dプリンティングのインクとして使用できる緊密に充填された粒状ヒドロゲルを形成しました。架橋キトサンヒドロゲルをメッシュフィルターを通して押し出して、制御されたサイズ3のマイクロゲル粒子を生成する別のフラグメンテーションアプローチを発表しました。次に、断片化されたヒドロゲルを成長板損傷ラットモデルで使用すると、軟骨組織の再生を促進することが示されました。
詰まったミクロゲル粒子を相互に連結すると、アニールされた粒状ヒドロゲルと、独自のマイクロアーキテクチャを備えた多孔質バルク足場が生成されます。Andersonらは、ポリマーネットワークに損傷を与えることなく凍結乾燥される光架橋可能なHAミクロゲルのマイクロ流体ベースの生成のためのプロトコルを提供しました4。凍結乾燥したミクロゲルの制御された再水和と、その後の両直交架橋スキームによる相互結合は、粒子画分が制御された多孔質HA足場の形成につながり、著者らは細胞の浸潤と遊走に大きな影響を与えることを実証しました。Roosa らは、大量のポリエチレングリコール (PEG) ミクロゲルのハイスループット マイクロ流体合成法を説明しました5.次に、著者らは、マイクロゲル精製、基本的な微粒子特性評価、および二次架橋メカニズムに基づく粒子アニーリングのアプローチを実証し、微多孔質足場を形成します。Rommelらは、異方性マイクロゲル粒子を利用して、気孔率が増加した焼きなまし足場を生成するアプローチを紹介しました6。彼らは、フローフォーカシングマイクロ流体工学を利用して、制御可能なアスペクト比を持つスターPEGポリマーからマイクロゲルロッドを作成しました。アニールされたマイクロゲルロッド足場は、細胞実験の3D環境として使用できます。Luoらは、細胞または生物製剤の送達に使用できる単純なマイクロ流体アプローチを介して高度に開放された多孔質マイクロスフェアを生成する方法を実証しました7。
粒状ゲルのユニークなレオロジー特性により、軟質ヒドロゲルや細胞の埋め込み3Dプリンティングに理想的なサポートとなります8。Machourらは、ゼラチン粒状ゲル内に埋め込まれた3Dプリンティングのアプローチと犠牲的なモールドベースの3Dプリンティングを組み合わせて、人工組織フラップを作成しました9。このハイブリッド法を利用して、内皮細胞と混合したコラーゲンベースのインクから階層的な血管ネットワークを作成しました。次に、人工化された皮弁をラットの大腿動脈に直接移植しました。Jalandhra et al. メタクリル酸ゼラチン (GelMA) ミクロゲル10 から作られた細胞を含有した粒状ゲル内にリン酸カルシウムベースのセラミック インクを埋め込んだ 3D プリンティングを介して、骨模倣コンストラクトを作成するアプローチを実証しました。粒状サポートは、操作された骨を模倣する構造の周りの細胞増殖をサポートするために、印刷後にアニールされました。Kajtez et al. 埋め込み 3D プリンティングを使用して、ヒト幹細胞ベースの神経組織構築物を作成しました11.彼らは、アルギン酸ミクロゲルとコラーゲンベースの細胞外マトリックス溶液を組み合わせた複合印刷サポート材料を開発しました。コラーゲンの穏やかな架橋は、神経幹細胞の機能的なニューロンへの分化に好ましい環境を提供するために、印刷をサポートします。ゲル化アプローチ中のせん断処理を利用して、埋め込み3Dプリンティング用のアガロースベースのサポートバスを生成しました12。アガロースの熱特性により、印刷された細胞を含んだヒドロゲルコンストラクトを支持浴を溶かすことなく培養することが可能になります。
詰まったマイクロゲルインクは、粘度が低いか、架橋ダイナミクスの制御が難しいため、印刷が困難なヒドロゲルの制御可能な3Dプリントのルートを提供します13。マイクロゲルインクとして、ヒドロゲルは従来の層ごとの方法で、または懸濁浴で印刷できます。また、細胞を収容して粒状のバイオインクを形成することもできます。そのため、粒状バイオインクは、細胞に有害な添加剤や架橋条件を必要とする可能性のある従来の方法と互換性のない材料のバイオプリンティングのためのソリューションを提供します。Zamanらは、可逆的な界面ナノ粒子自己組織化14でGelMAヒドロゲルをプログラミングすることにより、これらのインクの印刷適性をさらに高める方法を提供します。粒子間相互作用の変化により、得られたナノエンジニアリング粒状バイオインクは、より低い充填密度で印刷することができ、印刷プロセス全体を通じて微小孔率が増加した粒状バイオインクの配合が可能になります。さらに、著者らは、ハイスループットのマイクロ流体ヒドロゲル微粒子生成、マイクロエアロゲルへの変換、およびトランスグルタミナーゼを使用した粒状インクアニーリングの方法論について説明しています。
要約すると、この記事集は、マイクロゲル技術の幅広い用途に関する詳細な実践的なガイダンスを提供します。このコレクションでは、さまざまなヒドロゲル材料の使用と架橋メカニズムについて説明するだけでなく、ヒドロゲル微粒子生成のためのいくつかの製造技術も紹介しています。最も重要なことは、このコレクションは、マイクロゲルおよび粒状ゲル技術の非常に有望な応用である 3D プリンティングおよび再生医療にヒドロゲル微粒子を使用する方法に関する有用な情報を提供することです。