積層造形
セルロースバイオインクが3D薬物送達システムを進化させる
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医薬品に関しては、自然産物は文明の黎明期から薬局方の一部であり、化学薬が発明される前は植物が効果的な治療の基礎となることが多かった。
生体化合物を使用する利点の一つは、患者の体と良好に相互作用しやすいことです。このため、長い間、木材や象牙といった素材が一部の義肢に使用されてきました。
現代では、研究者が医療用途において石油由来のポリマーに代わるバイオマテリアルの可能性を探求しています。
パキスタンのゴマル大学と中国の江蘇大学の研究者による最近の出版物は、木材を構成する分子の一つであるセルロースを、3Dプリンティングと組み合わせて、薬物送達、軟組織の3Dプリント、創傷治癒に使用できるバイオインクを作成する方法を探っています。
They publish their results in the journal Next Materials1, under the title “バイオマスからバイオファブリケーションへ: 持続可能な3D-プリント薬物送達システムと組織再生におけるセルロースの役割”.
セルロース：究極の持続可能バイオマテリアル
セルロースは木が木材の構造要素として大量に生成するだけでなく、ほとんどすべての植物にほぼ遍在する化合物です。そのため、光合成により二酸化炭素、 水、太陽光から文字通り空気中で生成されるため、非常に持続可能です。これが、セルロース繊維から作られる大量生産紙が低コストである理由でもあります。セルロースは生体適合性があり、生分解性もあります。
ブドウ糖のポリマーであるセルロースも3Dプリント可能であり、医療分野での多数の新しい応用への道を開きます。
出典: ScienceFacts
この研究では、研究者は3Dプリントされたセルロースの多くの応用可能性を探ります:
- 個別化薬物送達システム。
- 損傷した臓器や組織を修復する新しい方法のための組織工学。
- 体内環境を再現した人工3Dプリント組織モデルでの薬物テスト。
そのために、彼らは2015年から2025年に発表された科学論文をレビューし、”cellulose”、”nanocellulose”、”bacterial cellulose”、”3D bioprinting”、”bioinks”、”drug delivery”、”tissue engineering”、”hydrogels”、”stimuli-responsive biomaterials” といったキーワードを組み合わせたものを調査しました。
セルロースを医療バイオマテリアルにする
セルロース結晶の操作
セルロースは2つの形態で存在し、ほとんどのセルロース材料はこれら両方の分子形態が混在しています:
- 結晶性：安定性と機械的強度が高い。
- 非晶質：構造が緩く、他の分子との相互作用がしやすい。
より安定した結晶性セルロースは体内での分解速度が遅く、組織工学用足場、創傷被覆材、持続的薬物送達システムなど、長期的な機械的完全性が求められる用途に有用です。
非晶質セルロースは酵素による分解や水分吸収がしやすく、より速い分解と組織リモデリングのための生体吸収が促進されます。
出典: Next Materials
このため、特定の用途に合わせてセルロース構造を調整することは、医療目的で使用するすべてのプロセスにおいて不可欠です。
セルロースの化学構造と微細構造を調整することは、足場の安定性、細胞相互作用、治療薬放出プロファイル、そして組織工学および再生医療におけるバイオファブリケーション全体の性能を最適化するために不可欠です。
セルロース系誘導体
純粋なセルロースに加えて、セルロースから生成される他の化合物も医療的可能性があります。例えば、カルボキシメチルセルロース（CMC）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（HPMC）、微結晶セルロース（MCC）、およびナノセルロース:
- CMCは医薬品配合物の安定化および増粘剤として使用されます。
- HPMCは薬物を患者にゆっくりと投与する制御放出製剤の作成に使用されます。
- MCCは医薬品錠剤の製剤において、優れた充填剤、崩壊剤、結合剤として知られています。
- ナノセルロースは表面積が大きいため、組織工学および薬物送達応用において新しく価値のある材料です。
いずれにせよ、細菌性セルロースは高純度、機械的強度、保水性、生体適合性が優れているため、植物性セルロースよりも好まれます。その微細構造は細胞外マトリックスのナノ繊維構造を模倣して組織再生を支えるため、皮膚から心筋までの硬組織・軟組織の3Dバイオプリント用足場として使用できます。
出典: Next Materials
3Dバイオプリンティングにおけるセルロース
バイオプリンティング手法
セルロース足場を用いたセルロースと組織のバイオプリントは、さまざまな手法で実施でき、各手法は特定のセルロースタイプに適しています。
例えば、CNF（セルロースナノファイバー）濃度の高いバイオインクは押出し型バイオプリンティングと特に相性が良いです。一方、インクジェットバイオプリンティングはセルロースバイオインクで使用するために粘度の最適化が必要です。
出典: Next Materials
セルロースはセルロース系バイオインクの唯一の成分である必要はありません。他のバイオマテリアルを混合に加えることで、バイオインクに組み込まれた細胞の生存率を向上させることができます。
ゼラチンとアルギン酸を基盤としたバイオインクにセルロースナノ結晶を添加すると、機械的特性が向上し、細胞生存率が高まるため、これらのブレンドはさまざまな組織工学用途に適しています。
セルロースバイオインクの応用
調整可能な構造のおかげで、セルロースは薬物送達の速度と持続時間をカスタマイズする優れたソリューションとなります。
3Dプリンティングやエレクトロスピニングなどの加工方法の最近の進展により、機械的特性が向上し、放出プロファイルを調整可能なセルロース系薬物送達デバイスを作成する新たな機会が生まれました。
組織工学において、セルロースは細胞が付着・増殖し、新しい健康な組織を形成できる価値ある足場を提供します。その多孔質構造は栄養素と老廃物の交換を可能にし、細胞接着と増殖を促進します。
例えば、セルロースは皮膚や軟骨の足場において細胞外マトリックスを模倣するために使用でき、組織統合と細胞浸潤のプラットフォームを提供します。また、培養細胞から人工組織を製造する際にも利用できます。
この手法は「オルガン・オン・チップ」モデルの製造にも拡張でき、ヒト臓器の機能を試験管内で再現する薬物テスト用プラットフォームとなります。
別の応用として創傷治癒があります。セルロースを酸化グラフェンと混合すると、顕著な抗菌性を示します。細胞の移動と増殖を促進する足場機能と相まって、セルロースバイオインクは特に皮膚の組織再生を助けることができます。
出典: Next Materials
将来の改善点
将来の改善点としては、セルロースをより耐久性のある足場材料として使用し、さらに「犠牲テンプレート」を併用することが考えられます。
ゲルatin、Pluronic F127、または炭水化物ガラスなどの犠牲材料は、セルロース含有バイオインクと共に同時印刷され、温度変化、溶解、または洗浄プロセスで後に除去されます。これらの設計された多孔質構造は、厚いバイオプリント構造における細胞生存率、組織成熟、血管新生を大幅に向上させます。
セルロースバイオインクを使用した3Dバイオプリンティング手法をスケールアップする際の重要な要素は、予測可能で安定した精製要件を満たす大量かつ一貫したセルロース供給の確保、滅菌課題への対処、そして微細組成と均一性の維持です。
バイオプリンティングへの投資
3D Systems
DDD 価格チャート
DDD 価格チャート
3D Systemsは3Dプリンティングのリーダーで、1,000件以上の特許を保有し、130種類の素材を3Dプリントでき、1日あたり100万部以上を生産しています。業界の統合期を経て、Nano Dimension (NNDM ) と並ぶ世界最大級の3Dプリンティング企業の一つです。
3D Systemsは2017年にUnited Therapeutics（UTHR）との研究協力により、3Dプリントされた臓器や組織向けのバイオプリンティングに早期に参入しました。また、2020年にCollPlant Biotechnologies（CLGN）との協業 (CLGN ) 、そして2021年のバイオインクメーカーAlleviaの買収を発表しました。
バイオプリンティング活動は、手術用インプラントの3Dプリントと並行して行われ、累計で3,000,000個のシリアルコンポーネント医療機器とカスタマイズされた義歯が製造されています。
2025年末までに、ヘルスケア部門は同社収益のほぼ半分を占めました。残りは主に産業用途で、特に航空宇宙分野における金属3Dプリンティングに焦点を当て、2026年第1四半期の総額は9,550万ドルでした。
2026年初頭のプラスのEBITDAのおかげで、3D Systemsは金属3Dプリンティングが急成長しているセグメントでのリーダーであり、ヘルスケア部門でも確固たる地位を築いているため、3Dプリンティング株の中で最も「安全」な銘柄の一つと考えられます。バイオインクと3Dプリンティングが第3の利益センターへ成長する可能性もあります。
参照研究
1 . Asma Ashgar, et al. バイオマスからバイオファブリケーションへ: 持続可能な3D-プリント薬物送達システムと組織再生におけるセルロースの役割. Next Materials. 巻13、2026年10月、102601. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2026.102601 (DDD ) (UTHR )
