メタバイオマテリアルの特性を個別に制御する手法を開発(Untangling the Meta-Biomaterial Puzzle One Property at a Time)

2026-09-08 デルフト工科大学(TU Delft)

TU Delftの研究チームは、メタバイオマテリアルの複数の物性を互いに独立して調整するための計算設計手法を開発した。メタバイオマテリアルは、化学組成ではなく内部構造によって剛性、密度、ポアソン比、透過性などを制御できる材料だが、従来は一つの特性を変えると他の特性も同時に変化し、細胞の反応にどの物性が影響したのかを特定することが困難だった。研究チームは約4万5,000件の数値シミュレーションを実施し、逆設計・多目的最適化によって、他の特性をほぼ維持したまま相対密度やポアソン比などを個別に調整できる構造を探索。さらに3Dプリンティングで試作し、剛性、ポアソン比、透過性などを実測して計算結果を検証した。この手法により、材料の特定の物性が細胞の接着・増殖・分化に与える影響を切り分けて研究でき、再生医療や骨インプラントなどの次世代バイオマテリアル設計への応用が期待される。

メタバイオマテリアルの特性を個別に制御する手法を開発(Untangling the Meta-Biomaterial Puzzle One Property at a Time)

<関連情報>

メタバイオマテリアルにおける機械的特性と形態計測的特性の分離 Decoupling mechanical and morphometric properties in meta-biomaterials

Ebrahim Yarali,Urs Staufer,Lidy E. Fratila-Apachitei,Abdulrahman Al-Sanea,Reza Mahdavi,Amir A. Zadpoor,Angelo Accardo & Mohammad J. Mirzaali

Nature Communications  Published:08 September 2026

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77121-y

Abstract

A significant challenge in developing meta-biomaterials is the effective decoupling of their intrinsically intertwined mechanical properties (e.g., elastic and shear moduli, Poisson’s ratio, and anisotropy level), morphometric properties (e.g., relative mass density, pore size, and surface-to-volume ratio), and mass-transport properties (e.g., permeability). To address this challenge, we introduce a general framework for decoupling mechanical and morphometric properties in non-stochastic, three-dimensional meta-biomaterials. We first derived explicit geometrical relationships to determine the upper and lower bounds of the input geometrical parameters while ensuring relevance to in vitro biological conditions. Using a high-throughput numerical homogenization method (44,837 simulations) combined with systematic multi-objective optimization, we successfully decoupled Poisson’s ratio and relative mass density from all other properties, with average deviations below ~14%. The optimized meta-biomaterials were additively manufactured at the macro- and microscales using PolyJet 3D printing and two-photon polymerization, respectively, and experimentally validated in terms of effective elastic modulus, Poisson’s ratio, and permeability. The established decoupling framework provides a promising route for advancing tissue engineering and cell mechanobiology studies by enabling independent investigation of the effects of individual scaffold properties on cell behavior.

0102材料力学
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