Development of a bioactive ink library for functional three-dimensional tissue bioprinting

• Project/Area Number: 20KK0112
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 境 慎司 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20359938)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小嶋 勝 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (00533647) ; 中畑 雅樹 大阪大学, 大学院理学研究科, 助教 (40755641)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2023: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 3Dプリント / 組織工学 / 再生医療 / ゲル / バイオインク / バイオプリンティング / 3Dプリンティング

Outline of Research at the Start

3Dプリンティングは、複雑な内部構造を持つ構造体の造形を可能とする。特に、インクに細胞を含ませて用いるバイオプリンティングは、現状はまだ不可能なものの、従来技術では造形できなかった機能的な組織や臓器の代替物の作製を実現する技術として期待されている。そして、その実現には、プリンタの進化とともにインクの進化が不可欠である。本研究では、フランスの研究グループと共同研究にて、インクの進化に不可欠な新たな生物活性物質を天然資源の中から見出し、それに必要な機能を付与することで、それらの材料からなるインクライブラリを構築することに取り組む。

Outline of Annual Research Achievements

3Dプリンティングは、複雑な内部構造を持つ構造体の造形を可能とする。特に、イン
クに細胞を含ませて用いるバイオプリンティングは、現状はまだ不可能なものの、従来技術
では造形できなかった機能的な組織や臓器の代替物の作製を実現する技術として期待されている。そして、その実現には、プリンタの進化とともにインクの進化が不可欠である。本研究では、フランスの研究グループと共同研究にて、インクの進化に不可欠な新たな生物活性物質を天然資源の中から見出し、それに必要な機能を付与することで、それらの材料からなるインクライブラリを構築することを目的とする。
2023年度は、博士課程の学生が1名3ヶ月間、共同研究先に滞在して新たなインク材料の獲得に関する検討を行い、微生物が細胞外に分泌する多糖の培養条件の制御による分子量、化学構造の制御に関して研究を実施した。また、研究代表者も共同研究先に滞在して、新たな多糖インク材料の獲得に関する検討を実施した。さらに、前年度共同研究先に4ヶ月間滞在して研究を実施した博士課程の学生が中心となって、キトサンをバイオインクとして使用するにあたって重要となる新規架橋方法の開発に関する検討を実施した。これらに加えて、それらのバイオインクを用いた高度な造形を可能とするためのバイオプリンタに搭載するインク切り替えシステムの開発を行った。具体的には、バイオプリンタのノズルから吐出される直前のバイオインクの混合および、複数インクの精度のよい切り替え方法に関して検討を行い、有望な結果を得ることができた。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Unversity of Indonesia(インドネシア)
• [Int'l Joint Research] University of Clermont Auvergne/University of Picardy Jules Verne(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Clermont Auvergne/University of Picardy Jules Verne(フランス)
• [Journal Article] Enzymatically gellable chitosan inks with enhanced printability by chitosan nanofibers for 3D printing of wound dressings (2024)
  • Author(s): Sakai Shinji、Yamamoto Shota、Hirami Ryo、Hidaka Mitsuyuki、Chamara Manoj Lakmal Elvitigala Kelum
  • Journal Title: European Polymer Journal Volume: 210 Pages: 112960-112960
  • DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2024.112960
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of Chitosan Hydrogels Obtained through Phenol and Tripolyphosphate Anionic Crosslinking (2024)
  • Author(s): Mitsuyuki Hidaka, Masaru Kojima, Shinji Sakai, Cedric Delattre
  • Journal Title: Polymers Volume: 16 Issue: 9 Pages: 1274-1274
  • DOI: 10.3390/polym16091274
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tuning the crosslinking and degradation of hyaluronic acid/gelatin hydrogels using hydrogen peroxide for muscle cell sheet fabrication (2023)
  • Author(s): Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal、Mubarok Wildan、Sakai Shinji
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 19 Issue: 31 Pages: 5880-5887
  • DOI: 10.1039/d3sm00560g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Visible light photocrosslinking of sugar beet pectin for 3D bioprinting applications (2023)
  • Author(s): Mubarok Wildan、Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal、Kotani Takashi、Sakai Shinji
  • Journal Title: Carbohydrate Polymers Volume: 316 Pages: 121026-121026
  • DOI: 10.1016/j.carbpol.2023.121026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Horseradish Peroxidase-Mediated Bioprinting via Bioink Gelation by Alternately Extruded Support Material (2023)
  • Author(s): Kotani Takashi、Mubarok Wildan、Hananouchi Takehito、Sakai Shinji
  • Journal Title: ACS Biomaterials Science & Engineering Volume: 9 Issue: 10 Pages: 5804-5812
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.3c00996
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of cell-laden microbeads and microcapsules composed of bacterial polyglucuronic acid (2023)
  • Author(s): Goto Ryota、Nakahata Masaki、Delattre C?dric、Petit Emmanuel、El Boutachfaiti Redouan、Sakai Shinji
  • Journal Title: International Journal of Biological Macromolecules Volume: 244 Pages: 125481-125481
  • DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.125481
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of non-adherent cell-enclosing domes with enzymatically cross-linked hydrogel shell (2023)
  • Author(s): Kazama Ryotaro、Sato Ryuta、Fujiwara Hiroyuki、Qu Yanfei、Nakahata Masaki、Kojima Masaru、Fujita Satoshi、Sakai Shinji
  • Journal Title: Biofabrication Volume: 15 Issue: 1 Pages: 015002-015002
  • DOI: 10.1088/1758-5090/ac95ce
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cell Dome as an Evaluation Platform for Organized HepG2 Cells (2023)
  • Author(s): Kazama Ryotaro、Fujita Satoshi、Sakai Shinji
  • Journal Title: Cells Volume: 12 Issue: 1 Pages: 69-69
  • DOI: 10.3390/cells12010069
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] One-Step FRESH Bioprinting of Low-Viscosity Silk Fibroin Inks (2022)
  • Author(s): Sakai Shinji、Morita Takahiro
  • Journal Title: ACS Biomaterials Science and Engineering Volume: 8 Issue: 6 Pages: 2589-2597
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.2c00269
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tuning Myogenesis by Controlling Gelatin Hydrogel Properties through Hydrogen Peroxide-Mediated Cross-Linking and Degradation (2022)
  • Author(s): Mubarok Wildan、Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal、Sakai Shinji
  • Journal Title: Gels Volume: 8 Issue: 6 Pages: 387-387
  • DOI: 10.3390/gels8060387
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Human Umbilical Vein Endothelial Cells Form a Network on a Hyaluronic Acid/Gelatin Composite Hydrogel Moderately Crosslinked and Degraded by Hydrogen Peroxide (2022)
  • Author(s): Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal、Mubarok Wildan、Sakai Shinji
  • Journal Title: Polymers Volume: 14 Issue: 22 Pages: 5034-5034
  • DOI: 10.3390/polym14225034
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phenol-Grafted Alginate Sulfate Hydrogel as an Injectable FGF-2 Carrier (2022)
  • Author(s): Goto Ryota、Nakahata Masaki、Sakai Shinji
  • Journal Title: Gels Volume: 8 Issue: 12 Pages: 818-818
  • DOI: 10.3390/gels8120818
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of phenol-grafted polyglucuronic acid and its application to extrusion-based bioprinting inks (2022)
  • Author(s): Sakai Shinji、Kotani Takashi、Harada Ryohei、Goto Ryota、Morita Takahiro、Bouissil Soukaina、Dubessay Pascal、Pierre Guillaume、Michaud Philippe、El Boutachfaiti Redouan、Nakahata Masaki、Kojima Masaru、Petit Emmanuel、Delattre C?dric
  • Journal Title: Carbohydrate Polymers Volume: 277 Pages: 118820-118820
  • DOI: 10.1016/j.carbpol.2021.118820
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modulation of Cell-Cycle Progression by Hydrogen Peroxide-Mediated Cross-Linking and Degradation of Cell-Adhesive Hydrogels (2022)
  • Author(s): Mubarok Wildan、Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal、Nakahata Masaki、Kojima Masaru、Sakai Shinji
  • Journal Title: Cells Volume: 11 Issue: 5 Pages: 881-881
  • DOI: 10.3390/cells11050881
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Freeform 3D Bioprinting Involving Ink Gelation by Cascade Reaction of Oxidase and Peroxidase: A Feasibility Study Using Hyaluronic Acid-Based Ink (2021)
  • Author(s): Sakai Shinji、Harada Ryohei、Kotani Takashi
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 11 Issue: 12 Pages: 1908-1908
  • DOI: 10.3390/biom11121908
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 3D bioprinting of sugar beet pectin obtained through horseradish peroxidase-catalyzed crosslinking (2024)
  • Author(s): 平見 凌、堀口 一樹、小嶋 勝、境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第89年会
• [Presentation] 酵素反応で得られるゲルとそれを使った３Ｄバイオプリント (2024)
  • Author(s): 境 慎司
  • Organizer: 2023年度第7回広島大学大学院医系科学研究科・大学病院合同FD
  • Invited
• [Presentation] The Effect of Oxidative Degradation of Phenolated Hyaluronic Acid on HUVEC Network Formation (2023)
  • Author(s): Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal, Wildan Mubarok, 堀口一機、小嶋 勝、境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第54回秋季大会
• [Presentation] Human Umbilical Vein Endothelial Cells Behaviour on Hyaluronic Acid-based Hydrogel Obtained via Hydrogen Peroxide-Mediated Crosslinking and Degradation (2023)
  • Author(s): Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal, Wildan Mubarok, Horiguchi Ikki、Kojima Masaru、Sakai Shinji
  • Organizer: 8th International Symposium on Biomedical engineering 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Impact of Tyramine-Modified Hyaluronic Acid on Human Umbilical Vein Endothelial Cell Network Formation (2023)
  • Author(s): Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal, 堀口一機、小嶋 勝、境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第89年会
• [Presentation] バイオインク混合のための3Dプリンタ用バブルマイクロミキサの開発 (2023)
  • Author(s): 日髙光将, 小嶋勝, 堀口一樹, 境慎司
  • Organizer: 化学工学会第89年会
• [Presentation] インクと交互に吐出された支持材料からの物質供給によるゲル化を利用した3Dバイオプリンティング手法の開発 (2023)
  • Author(s): 粉谷 聖、堀口 一樹、小嶋 勝、境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第89年会
• [Presentation] 3D Bioprinting Technologies Based on Enzymatic Hydrogelation (2023)
  • Author(s): Shinji Sakai
  • Organizer: 8th International Symposium on Biomedical engineering 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ポリグルクロン酸の細胞包括マイクロ粒子への応用 (2023)
  • Author(s): 後藤良太, Cdric Delattre, 堀口一樹, 小嶋勝, 境慎司
  • Organizer: 化学工学会第88年会
• [Presentation] 高度な細胞培養足場構築を目的としたマルチマテリアル3Dバイオプリンティング用単一ノズルの開発 (2022)
  • Author(s): 日髙光将, Zhang Colin, 小嶋勝, 中畑雅樹, 堀口 一樹, 岡野 泰典, 境慎司
  • Organizer: 化学工学会第53回秋季大会
• [Presentation] Human umbilical vein endothelial cell behavior on Gelatin-Ph/HA-Ph composite hydrogel obtained via (2022)
  • Author(s): Elvitigala Kelum Chamara Manoj Lakmal, Wildan Mubarok, 堀口一機, 小嶋 勝, 境 慎司
  • Organizer: 第74回日本生物工学会大会
• [Presentation] 新規多糖の骨組織工学への応用 (2022)
  • Author(s): 後藤良太, Cedric Delattre, 堀口 一樹, 小嶋 勝, 境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第53回秋季大会
• [Presentation] 支持材料とインクの交互積層による可視光架橋3Dバイオプリンティング手法の開発 (2022)
  • Author(s): 粉谷 聖, 堀口 一樹, 小嶋 勝, 境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第53回秋季大会
• [Presentation] 酵素を使った3Dバイオプリンティング (2021)
  • Author(s): 境 慎司
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会 2021年度 九州ブロック学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 酵素を使った医療・ヘルスケアのためのものづくり (2021)
  • Author(s): 境 慎司
  • Organizer: 第15回 メタボロームシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 3Dバイオプリンティングによる水性二相系インクを用いたヒドロゲルファイバーの作製 (2021)
  • Author(s): 森田 崇裕・中畑 雅樹・小嶋 勝・境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第 52 回秋季大会
• [Presentation] マイクロ流体デバイスを用いた気泡を孔源とする多孔質ヒドロゲル構造体の作製 (2021)
  • Author(s): 原田 涼平・ 中畑 雅樹・ 小嶋 勝・ 境 慎司
  • Organizer: 化学工学会第 52 回秋季大会
• [Presentation] Biocompatible solar hydrogelation mediated by resorcinol-formaldehyde resins and horseracdih peroxidase (2021)
  • Author(s): KITATANI Yuki, SHIRAISHI Yasuhiro, NAKAHATA Masaki, KOJIMA Masaru, HIRAI Takayuki, SAKAI Shinji
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photocurable chitosan ink with rapid gelation for extrusion-based/vat polymerization-based printings (2021)
  • Author(s): Hidaka Mitsyuki, Kojim Masaru, Nakahata Masaki and Sakai Shinji
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of Hydrogen Peroxide-Mediated Crosslinking and Polymer Degradation to Cells Adhesion (2021)
  • Author(s): Wildan Mubarok, Masaki Nakahata, Masaru Kojima, Shinji Sakai
  • Organizer: 第8回アジアバイオマテリアル学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modulation of Cells Adherence by Hydrogen Peroxide-Mediated Crosslinking and Polymer Degradation (2021)
  • Author(s): Wildan Mubarok, Masaki Nakahata, Masaru Kojima, Shinji Sakai
  • Organizer: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] POLYMERIC COMPOUND OF GLUCURONIC ACID WITH PHENOLIC GROUPS, GEL-FORMING COMPOSITION COMPRISING SUCH A COMPOUND AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME (2023)
  • Inventor(s): C DELATTRE, S SAKAI et al
  • Industrial Property Rights Holder: クレルモン・オーベルニュ大学, 大阪大学 他
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] POLYMERIC COMPOUND OF GLUCURONIC ACID WITH PHENOLIC GROUPS, GELFORMING COMPOSITION COMPRISING SUCH A COMPOUND AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME (2021)
  • Inventor(s): DELATTRE C, SAKAI S, et al
  • Industrial Property Rights Holder: DELATTRE C, SAKAI S, et al
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Overseas