ナノ絹糸により 3D バイオプリントが容易に

シルクに新たな用途をもたらす新技術

2020-9-29工学系

研究成果のポイント

・絹独特の光沢と手触りをもつ絹糸(蚕繭糸を精練 したもの)をナノサイズに微細化したナノ絹糸を添加することで、3Dバイオプリントの造形性を大きく向上させることに成功
・ナノ絹糸の細胞への毒性は確認されず、ヒアルロン酸やゼラチン、キトサンなど様々なインク成分と混合使用が可能
・シルクに新たな用途を与える研究成果であり、日本の養蚕・絹産業の復興にも寄与することが期待される

概要

大阪大学大学院基礎工学研究科の境慎司教授、大学院生の吉井彩乃さん(博士前期課程2年)は、京都府京丹後市のながすな繭株式会社との共同研究のもと、蚕の繭糸を精練処理して得られる絹糸を機械的処理によりナノ繊維化したナノ絹糸を、細胞を含むインクに添加することで、細胞の生存を損なわずに立体印刷の造形性を大きく向上させることができることを、世界で初めて明らかにしました。

生きた細胞を含むインクを使い立体構造物を印刷する3Dバイオプリンティング では、細胞の生存を損なわずに、優れた造形を可能とするインクの開発が進められています。そして、これを達成するために、さまざまな材料が検討されてきましたが、得られる立体構造物は体内へ埋め込んで使用されるため、より安全性の高いインクの開発が求められています。蚕の繭糸を精練処理して得られる絹糸は、外科用縫合糸として長期の使用実績があることなどから、近年、その安全性などに着目して、縫合糸以外の医療用途に用いる様々な検討が行われています。今回、境教授、吉井さんらの研究グループは、絹糸を機械的な処理によりナノ繊維化したナノ絹糸を、細胞を含んだヒアルロン酸をベースとする溶液に添加しました。そして、3Dバイオプリンティングで最も多くの検討が行われている、押し出し式のプリンタのインクとして用いました。その結果、細胞の生存を損なうことなく、立体構造物を良好に造形できるようになることを明らかにしました。また、ヒアルロン酸以外にも、アルギン酸やキトサン、ポリビニルアルコールなど、安全性が高いとされる様々な成分とも一緒に使用できるなど、汎用性が高い素材であることも明らかにしました。3Dバイオプリンティングは、今後、急速に発展・拡大していくことが予想されています。したがって、今回の成果は、同分野の発展に寄与するだけでなく、絹(シルク)の用途・消費拡大にも寄与すると期待されます。

本研究成果は、オランダ科学誌「Materials Today Bio」に、9月21日(日本時間)に公開されました。

図1 設計図(中央上)にもとづいて、ヒアルロン酸ベースのインクから印刷した鼻型の構造体

研究の背景と内容

世界中で新型コロナウイルス感染が拡大するなか、3Dプリンティングは、ドアノブからマスク、フェイスガード、医療用デバイスまで、さまざまなものを即応的に、必要とされる形状に応じて作製できる技術であることを示しました。この3Dプリンティングのなかでも、特に生きた細胞を含むインクを使い、組織や臓器の代替となる立体構造物の印刷を行うのが3Dバイオプリンティングです。そして、この3Dバイオプリンティングでは、微小な針先からインクを連続的に押し出しながら、順次押し出されたインクを固めていく押し出し式の3Dプリンタが最も多く検討されています。

この押し出し式3Dプリンタに使用されるインクには、印刷中に細胞が死んでしまわないことと、設計図に忠実な印刷が行えることが求められます。これを満足する可能性のあるものとして、絹糸を溶剤に溶解した後に、電界紡糸と呼ばれる方法でナノ繊維を紡糸し、それを添加することの有用性が報告されていました。しかし、この方法によるナノファイバーの製造には、絹を化学的処理により溶かすための特殊な溶剤や、繊維化するための特別な装置が必要であることに加え、製造コストが高いなどの問題がありました。一方で、蚕の繭糸を精練処理して得られる絹糸は、外科用縫合糸として長期の使用実績があることなどから、近年、その安全性などに着目して、縫合糸以外の医療用途に用いる様々な検討が行われている素材です。

今回、境教授、吉井さんと、京都府京丹後市のながすな繭株式会社の研究グループは、化学的な溶解や特殊な紡糸装置を必要とせず、絹糸を機械的に処理することにより得られる直径100ナノメートル、長さ5マイクロメートルほどのナノ絹糸を、細胞を含んだヒアルロン酸をベースとする溶液に1%ほど添加しました。その結果、マウスやヒトの細胞の生存を損なうことなく、それらの細胞を含んだ立体構造物を、ナノ絹糸を含まない場合と比較して、良好に造形できるようになることを明らかにしました。また、ヒアルロン酸以外にも、アルギン酸やキトサン、ポリビニルアルコールなど、安全性が高いとされる様々な成分とも一緒に使用できるなど、汎用性が高い素材であることも明らかにしました。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

組織や臓器のような構造物を、さまざまなサイズ・形状で印刷することを実現するために、3Dバイオプリンティングの研究が進められています。これにより得られる構造物は、人の組織や臓器を置換する目的だけでなく、薬物開発時の評価に使用することを目的としても作製が試みられています。本研究の成果は、それらに寄与することが期待される成果です。さらに、絹(シルク)の用途・消費拡大をもたらすものであるため、日本の養蚕・絹産業の復興にも寄与することが期待されます。

特記事項

本研究成果は、2020年9月21日(日本時間)にオランダ科学誌「Materials Today Bio」(オンライン)に掲載されました。

タイトル:"Silk fibroin nanofibers: A promising ink additive for extrusion 3D bioprinting"
著者名: Shinji Sakai, Ayano Yoshii, Shunsuke Sakurai, Kazuki Horii and Osamu Nagasuna

なお、本研究は、JST研究成果最適展開支援プログラムA-STEP機能検証フェーズ、科学研究費補助金、京丹後市産学連携研究等促進事業の支援を受けて行われました。

研究者のコメント

日本の養蚕・蚕産業は衰退を続けていますが、これから発展していく分野でその有用性を示すことで、すこしでも日本の養蚕・蚕産業の復興に寄与できればと思います。また、大学院生の吉井さんが頑張ってくれたから得られた成果です。

参考URL

基礎工学研究科 生物プロセス工学講座 生物材料設計グループ(境研究室)HP
http://www.cheng.es.osaka-u.ac.jp/sakailabo/home.html

用語説明

精練

蚕の繭から得られる繭糸は、中心にフィブロインタンパク質の繊維があり、その周りをセリシンタンパク質が鞘のように覆うコアーシェル構造をしています。沸騰した弱アルカリ水に浸すことで、このセリシンを除去することを精練という。これにより、絹独特の光沢が生じる。

3Dバイオプリンティング

3Dプリンティングのなかでも、特に細胞を含むインクを使用してプリンタで立体構造物を作製していく技術。