任意の形状で様々な3次元組織・臓器を再生することは組織工学・再生医工学において極めて重要であるが、未だ実現できていないのが現状である。そこで本研究は、フェムト秒レーザーを用いた二光子吸収現象により、ナノスケール分解能を有する高精細なバイオ3Dプリンタを開発し、任意の複雑な3次元臓器を構築することを目的とする。特に本研究では、本研究グループが提唱する革新的な熱流体システムデザイン手法（熱工学的アプローチ：田口、流体工学的アプローチ：須藤）を駆使し、高精細なバイオ3Dプリンティング技術を世界に先駆け実現することを目指しており、2022年度は原理妥当性検証フェーズとしてヒト血管内皮細胞に着目し、コラーゲンゲル内にて所望の毛細血管パターンを3次元形成することを目標として研究を行い、以下に挙げる先駆的な成果を得るに至った。
（１）フェムト秒レーザーを用いたバイオ3Dプリンティング用光学系を構築した。試料は3軸自動ステージによってサブミクロン精度で位置決めされ、CADによって生成された毛細血管パターンに沿ってフェムト秒レーザーをコラーゲンゲルの任意の場所に照射可能となった。
（２）バイオ3Dプリンティングに適したコラーゲンゲルの組成を明らかにした。また、照射エネルギー、走査速度、照射繰り返しパルス周波数によって加工形状が異なることを明らかにした。低フリューエンス照射の場合はアブレーション加工が支配的になり高精細な加工が可能となる。一方、高フリューエンス照射の場合はキャビテーション加工が支配的になり大面積・高能率加工が可能であることが判明した。
（３）バイオ3Dプリンタで毛細血管パターンの足場を形成し、ヒト血管内皮細胞を播種した。水頭圧などの流体力学パラメーターを制御し、管腔を有する毛細血管の3Dパターニングに初めて成功した。
Organ-on-a-chip with engineered micro tissues grown inside the microfluidic chip is quite essential for the tissue engineering. In this study, the 3D Bio printing technique using the femto-second laser beam with high-spatial resolution has been developed based on the state-of-the-art System Design approach. The achievements are summarized as follows;
1) The optical setup for the 3D Bio printer composed of the femto-second laser and high precision 3D mechanical stages was constructed. The proposed system can achieve the laser irradiation control with a sub-micron spatial resolution and high-degree-of-freedom.
2) The chemical properties of the Bio-gel suitable for the 3D Bio printing was successfully confirmed. Furthermore, the irradiation conditions such as the fluence, scan speed, and the repetition rate were experimentally determined. In the experiment, two printing modes were observed, the ablation mode with lower fluence for the high precision printing and the cavitation mode with higher fluence for the high efficiency printing.
3) The microvascular remodeling in vitro using our 3D Bio printer was demonstrated for the first time. The lumen of the human umbilical vein endothelial cells was successfully observed.