核心概念
押出ベースの3Dバイオプリンティングにおけるハイドロゲル構成要素の配向を予測するために、数値モデル(マイクロ-マクロアプローチとFokker-Planck方程式を使用)が開発され、足場の異方性を制御し、組織工学用途を強化するための新しい洞察を提供します。
要約
ハイドロゲル足場異方性の数値モデリング:バイオプリンティングにおける新たなアプローチ
書誌情報: Mai, V.T., Chatelin, R., Courtial, E.-J., Boulocher, C., & Rieger, R. (preprint). Numerical modeling of hydrogel scaffold anisotropy during extrusion-based 3D printing for tissue engineering. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering.
研究目的: 本研究は、組織工学のための押出ベースの3Dプリンティング中にハイドロゲル足場に生じる異方性を予測するための数値モデルを開発することを目的としています。
方法: 研究者らは、ハイドロゲルのレオロジー挙動を特徴付けるために、まず実験的測定を行いました。次に、有限要素法(FEM)と有限体積法(FVM)を組み合わせたマイクロ-マクロアプローチを用いて、押出プロセス中のハイドロゲル構成要素の配向をシミュレートしました。このモデルは、構成要素の配向の進化を記述するFokker-Planck方程式に基づいています。
主な結果:
シミュレーション結果は、押出プロセス中にハイドロゲル構成要素が流れ方向に優先的に配向することを示しました。
せん断速度は、構成要素の配向度に大きな影響を与えることがわかりました。せん断速度が高いほど、異方性が大きくなります。
研究者らは、構成要素間の相互作用を表す相互作用係数(𝐶𝑖)も調査しました。𝐶𝑖が増加すると、構成要素の配向はよりランダムになり、異方性が低下します。
結論:
本研究で開発された数値モデルは、押出ベースの3Dバイオプリンティングにおけるハイドロゲル足場の異方性を予測するための貴重なツールとなりえます。
このモデルは、特定の組織の構造的および機械的特性を模倣した足場を製造するために、印刷パラメータを最適化するのに役立ちます。
本研究の結果は、組織工学における細胞の挙動と組織の成熟を制御するための新しい道を切り開く可能性があります。
意義: この研究は、バイオプリンティングプロセスにおけるハイドロゲル構成要素の配向と結果として生じる足場異方性の理解に大きく貢献しています。これは、カスタマイズされた足場設計と組織工学の進歩のための新しい道を切り開きます。
制限事項と今後の研究:
この研究では、単純化された剛体ダンベルモデルを使用してハイドロゲル構成要素を表しています。より現実的なシミュレーションのために、ポリマーの伸縮や絡み合いなどのより複雑なポリマーダイナミクスを組み込んだ将来のモデルが検討されています。
モデルの予測を実験的に検証するには、X線シンクロトロン分析などの技術を通じて、さらなる研究が必要です。
統計
ハイドロゲルは、フィブリノーゲン2%(w / v)、アルギン酸塩4%(w / v)、ゼラチン2%(w / v)で構成されていました。
押出は、5μl/ sの一定流量でシミュレートされました。
シミュレーションには、内径200 µmの管状ノズルシリンジが使用されました。
Herschel-Bulkleyモデルパラメータは、𝜏0 = 113.96 [Pa]、𝑘= 195.36 [Pa.s]、𝑛= 0.43と決定されました。