整形外科用3Dプリント：華やかな外観の下に隠されたタフなトラック

出典: Yifit、著者: Laohe Shanxia

2019年7月、ジャスト華健医療設備（天津）有限公司の3Dプリント人工股関節がNMPAの承認を通過しました。4年の歳月を経て、中国ではついに3Dプリント整形外科用インプラントの承認を受けた2番目のメーカーが誕生しました。また7月には、国家薬品監督管理局と国家衛生健康委員会が共同で「カスタマイズ医療機器の監督管理に関する規則（試行）」を発行し、医療用3Dプリント業界の標準の確立と改善を促進するためのベンチマークとなった。先日、整形外科用3Dプリントを専門とする上海メディトゥは、数千万元のA+ラウンドの資金調達を完了しました。首都の冬の情勢の中で、資金調達成功のニュースは特に興奮させられるものであり、業界の発展にとっても励みになります。上記はすべて確かに良いニュースですが、ほとんどの新興技術分野と同様に、3Dプリントの商業化は、特に長期的で障壁の高い医療業界では期待ほどには進んでいません。応用アイデアは包括的ですが、臨床実装への道のりは長いプロセスです。

今回は、整形外科用 3D プリントについて具体的に説明し、その明るく輝く外層を剥がして、細い芯の部分を見てみましょう。

1. 整形外科用 3D プリントの価値は何ですか?

3Dプリントは、新しい材料成形加工技術であり、積層造形とも呼ばれています。この名前は非常に鮮明です。たとえば、金属ハンマー（工学部の学生なら誰もが覚えているはずです。金属加工インターンシップの定番の科目です）を作るには、従来の方法では旋盤を使用してブランクをフライス加工しますが、これは減算に相当します。3Dプリントを使用する場合は、金属粉末から少しずつ積み重ねていくため、加算に相当します。従来の鋳造（溶融材料を金型に注入する）も付加的であると言う人もいるかもしれません。ここで重要な点に注意してください。3D プリントには金型は必要ありません。ソフトウェアで必要な形状を描くだけで済みます。研究開発に携わった多くの同僚は、研究開発の過程で、製品の設計計画が絶えず磨かれ、校正のためにサプライヤーを探す必要があることを個人的に経験しているはずです。数量は2〜3個だけかもしれません。この場合、単価は非常に高く、サプライヤーのスケジュールを待つ必要があるかもしれません。後の段階では、量産が始まり、型開き料金が別の大きな費用になります。バグがあり、型を再度開く必要がある場合、資金が非常に少ないスタートアップ企業にとっては単なる崩壊です。したがって、パーソナライズされたカスタマイズのための低コストの処理方法としての 3D プリントには、大きな応用の見込みがあります。

マクロ的な視点から見ると、材料の製造と加工は産業チェーンの上流にあり、最下層の技術に属します。技術はゆっくりと進化し、数百年にわたって変わらないこともあります。しかし、新しい革命的な技術が出現すると、産業チェーン全体の形成は破壊的になります。これが、3Dプリントがこれほど人気がある理由です。 3Dプリンティングが最も人気を集めていた2013年には、オバマ米大統領も「3Dプリンティングはほぼすべての製品の製造方法に革命をもたらすだろう」と述べ、支持を表明した。当時、3D SystemsとStratasysという2つの機器メーカーの株価も急騰した。

しかし、今日に至るまで、3Dプリントの商業化はまだ途上であり、実際に実装できる応用シナリオは多くありません。その中でも、整形外科用インプラントは優れた応用シナリオです。主な理由は2つあります。1つは3Dプリントの多孔質構造であり、もう1つはカスタマイズコストが低いことです。 2 番目の点は理解しやすいので、後で詳しく説明します。多孔質構造の利点についてご説明します。従来の金属インプラントは、一般的に応力遮蔽の問題を抱えています。簡単に言えば、骨よりも硬い材料を人体に埋め込むと、硬いインプラント材料がより大きな応力を負担し、骨が負担する応力は減少します。この現象により、人体の骨組織の体積と密度が徐々に減少し、インプラントが破損したり緩んだりする原因となります。最初の緩みは摩耗につながり、さらに緩みが進み、最終的にはインプラントの故障につながります。一方、3Dプリントインプラントの多孔質表面の弾性率は従来のインプラントよりも低いため、金属インプラントと骨の剛性差が小さくなり、インプラントが骨に「フィット」しやすくなります。同時に、多孔質表面は骨組織の浸潤と成長を促進し、効果的な骨癒合を実現します。

2. 整形外科用3Dプリント製品の分類

上図に示すように、整形外科用3Dプリント製品は、術前製品と術中インプラントに分かれています。術前解剖モデルや手術ガイドの応用は普及しており、技術的な敷居は比較的低く、多くのメーカーがすでにそのような製品を発売しています。インプラントは、承認が難しい高リスクのクラス III 医療機器であり、当社の重点分野でもあります。現在市場に出回っている 3D プリントインプラントは、標準化型とカスタマイズ型の 2 種類に分かれており、臨床現場では標準化型の 3D プリントインプラントの方が広く使用されていることを強調しておく必要があります。これは、「3D プリントはカスタマイズされた製品を作るためのものである」という多くの人が考えていることとは大きく異なります。実際、標準化された 3D プリントインプラントは従来のインプラントと同様に大量生産されており、個別のカスタマイズは行われません。唯一の違いは、3D プリントには多孔質構造の利点があるという点です。 3D プリントはカスタマイズされた生産に適しているので、各患者向けのカスタマイズされた製品を 1 つのステップで作成できないのはなぜかと疑問に思うかもしれません。これは業界の現在の問題点に触れているので、詳しく見てみましょう。

3. 標準化された3Dプリントインプラント市場
2007年、イタリアの外科医グイド・グラッピオーロ氏は、リマと金属3Dプリント機器メーカーのアルカム社との協力により、世界初の3Dプリント寛骨臼カップを移植した。彼はそれ以来、約600個の股関節を移植しており、彼の部門では1,500個を超える3Dプリントインプラントを移植している。

最初の 3D プリント寛骨臼カップが移植されてから数か月後、グラッピオロ医師は患者の CT スキャンを検査し、骨組織がインプラント内に成長し始めていることを確認しました。技術的な観点から見ると、これは 3D プリントされたインプラントがもたらす価値を医療界に実証するものです。これまでに、Arcam の 3D 印刷装置を使用して 10 万個以上の寛骨臼カップが製造されています。3D 印刷された寛骨臼カップは、現在病院で実施される股関節置換術の総数のうち、まだわずかな割合を占めるに過ぎませんが、状況は変わりつつあります。

海外のこの分野の競争状況を見ると、ほとんどの革新分野と同様に、整形外科用3Dプリント製品の探索と開発は主に中小企業によるものです。代表的な企業としては、前述の米国のK2Mと4-WEB、ドイツのEIT、イタリアのLimaなどがあります。伝統的な整形外科大手は、近年、主に合併と買収を通じて3Dプリント事業を展開しており、対応する製品の発売は2016～2018年に集中しています。 2018年現在、FDAは35以上の3Dプリントインプラントを承認しています。

しかし、今のところ、ほとんどの3Dプリント企業は依然として赤字状態にあります。ストライカー社に14億ドルで買収されたK2Mを例に挙げてみましょう。2017年の売上高は2億5800万ドル、営業利益は4042万ドルの赤字でした。巨額のマーケティング費用が損失の主な原因であり、整形外科用インプラント製品の高いバリア特性と密接に関係しています。いわゆる障壁の高さとは、整形外科用インプラントが長期間体内に埋め込まれる高リスクの医療製品であるという事実を指します。その安全性と臨床効果は長期間にわたって検証される必要があります。それ以前に、既存の製品を交換することに対する大きな抵抗があります。医師と既存のサプライヤーおよび販売代理店との強力な協力関係と相まって、商業的プロモーションの難しさが想像できます。

3Dプリントインプラントに関しては、2007年（最初の寛骨臼カップインプラント）からまだ12年しか経っていません。従来の関節インプラントの有効耐用年数は通常15〜20年以上です。そのため、3Dプリントインプラントが20年以上の長期効果を保証できるかどうかを検証するにはまだ時間がかかります。同時に、ネガティブなニュースも止むことはなかった。ベルギー連邦医療知識センター（KCE）は、3Dプリントインプラントの使用による仮説上の利点は、私たちが考えていたほど効果的でも説得力も無い可能性があり、現在の臨床的証拠とデータはそれを裏付けるのに十分ではないと述べた。

4. カスタマイズされた3Dプリントインプラント市場 カスタマイズされた 3D プリントは、標準化された 3D プリントインプラントよりも一歩進んでおり、各患者の状況に合わせてカスタマイズされた生産が行われます。データによると、標準化されたインプラントを使用すると、患者の 5 人に 1 人が不適合となるため、理論的にはカスタマイズされたインプラントがこの悩みを解決できます。適合性が高まると、術後の回復も良くなります (研究では、手術後の最初の期間の回復が患者の自信とその後の生活に大きな影響を与える可能性があることが示されています)。さらに、カスタマイズの潜在的な利点としては、手術手順とツールの削減（5～8 バスケットから 1～2 バスケットへ）、入院期間の短縮、術後合併症の減少、寿命の延長の可能性、骨の保存性の向上（ウィリアム・カーツ医師の研究では、iTotal CR 関節置換インプラントを使用した場合の平均骨切除量は、市販のインプラントを使用した場合よりも 27% 少なかった）などが挙げられます。
設計図は素晴らしいようですが、現実はどうでしょうか?実際、この業界には、最初から最後までカスタマイズされた 3D プリントインプラントの商業的探求にこだわってきた Conformis という会社があり、これは業界にとって良い参考になります。

Conformisは2004年に設立され、2007年にカスタマイズされた膝関節事業を開始しました。2011年にはカスタマイズされた全置換膝関節シリーズ、2018年にはカスタマイズされた股関節シリーズを発売しました。 2018年末現在、コンフォーミスは、70,000個以上の全膝関節置換インプラントと20,000個以上の部分膝関節置換インプラントを含む、90,000個以上の膝関節インプラントを販売しました。
では、最初にこの事業に乗り出した Conformis は利益を上げているのでしょうか?答えはノーです。 3Dプリントを標準化された大量生産に使用する場合、コスト構造は従来の製造業と同様ですが、カスタマイズ生産の場合は、生産および供給モデルがまったく異なります。カスタマイズ製品ごとに暫定的な設計プランが必要であり、工場で生産された後に病院に送られます。コンフォーミスの営業実績から判断すると、そのビジネスモデルでは利益を上げることが困難です（表1を参照）。難しいのは次の点です。

1) 非大量生産の効率には限界がある。
2) 地域をまたぐ輸送は大きな物流上のプレッシャーをもたらします。納期が間に合わなければ（手術が予定通りに実施できない）、悪影響は大きくなります。コンフォーミスは現在工場が 1 つしかなく、ドイツでの事業には国境を越えた輸送が必要なのは非常に残念です。
3) カスタマイズ生産ではCAD設計のステップが追加されるため、人件費が高くなります。コスト削減のため、同社は大量のCAD設計をインドに外注しています。

コンフォーミスの事例は、一歩踏み出しすぎると簡単に殉教者になってしまう可能性があることを示しています。標準化された 3D プリントインプラントが大規模な応用と収益性を達成するには、カスタマイズを試みるのに多大な勇気が必要です。

5. 国内の整形外科用3Dプリントが台頭
新興産業として、3Dプリンティングにおける中国と諸外国の技術格差は、特に応用面ではそれほど大きくありません。一般的に、国内の医療製品の承認は比較的保守的であり、基準の確立も遅いため、3Dプリントインプラントの商品化は初期段階にあります。標準化された3Dプリントインプラントの分野では、現在中国でクラスIII医療機器登録証明書を取得した製品は、Aikon Medicalの3Dプリント寛骨臼カップ、3Dプリント人工椎体、3Dプリント脊椎椎間固定装置、Just Huajianの3Dプリント人工股関節の4つです。嘉定華健の製品はまだ認可されたばかりなので、近年本格的に販売しているのは愛康医療だけだ。同社の3Dプリント製品は2015年に市場に投入されて以来、急速に成長し、2018年の売上高は7000万元に達した。利益が出ているかどうかは不明だ。

これら2つの確立された整形外科企業に加えて、整形外科3Dプリント事業に従事する新興企業も中国で数多く登場しています。承認障壁が高いなどの理由により、ほとんどのメーカーはまだハードルが低い術前製品（整形外科モデル、手術ガイドなど）の段階にあります。一方、多くのスタートアップは、カスタマイズされた3Dプリントインプラントの分野で常に新しいビジネスモデルを模索しています。たとえば、Black Flame Medicalは、医学と工学を組み合わせ、病院に3Dプリントセンターを構築するモデルを採用しています。このモデルは、前述のイタリアのリマの会社のように海外でも試みられ始めています。今年5月、ニューヨークのHSS（米国の特殊外科病院、9年連続で米国で整形外科病院の1位にランクされています）にオンサイト3Dプリントセンターの建設を開始しました。HSS病院は、2016年からリマのイタリア本社を通じてカスタマイズされたインプラントを製造しています。これは、カスタマイズされたインプラントの製造プロセスが医師とエンジニアのインタラクティブな協力のプロセスであることも反映しています。病院内に設置された3Dプリントセンターは、臨床医とインプラント設計エンジニアの相互作用を促進し、各カスタマイズされたケースの設計プロセスを高速化し、ローカル製造によりインプラントの国際輸送プロセスも排除されます。

最後に、今年 7 月に公布された「カスタマイズ医療機器監督管理規則」では、カスタマイズ医療機器の届出管理が明確に規定されており、カスタマイズ医療機器メーカーと医療機関が登録者となっていることを特にお知らせします。リスクを合理的に管理するために、本規制では、カスタマイズ医療機器を製造および使用する製造業者および医療機関に対して明確な要件を提示し、カスタマイズ医療機器の製造を委託してはならないことを明確に規定しています。同時に、カスタマイズされた医療機器メーカーは以下の条件を満たす必要があります。
（１）カスタマイズされた医療機器の開発と生産に必要な専門的・技術的な人員を有すること。
（２）カスタマイズされた医療機器を開発する能力と研究基盤を有すること
（３）標準規格に従って大量生産される同種の医療機器の登録証とそれに対応する生産許可証を有すること。
最後の点に関して、私の解釈では、メーカーがカスタマイズされた 3D プリントインプラント事業を実施したい場合は、まず標準化された 3D プリントインプラントの登録証明書を取得する必要があるということです。この基準は低くありません。

6. 要約: 金は常に輝きます!
既存の臨床結果から判断すると、3Dプリント整形外科用インプラントの多孔質構造とカスタマイズの利点は、患者にとって大きな価値があります。しかし、整形外科用インプラントは障壁が高く、学習曲線が長いため、商品化は初期段階で多くの困難に直面しています。しかし、著者は金は常に輝くと固く信じています。検証時間と臨床データの蓄積により、臨床での受け入れは徐々に増加し、遅かれ早かれ優れた整形外科用3Dプリント企業が出現するでしょう。

中国では、医療用3Dプリントの規制政策と技術基準の導入に伴い、整形外科用3Dプリントの開発と競争が加速し始めています。もちろん、標準化された3Dプリントインプラントの研究開発には、依然として伝統的な整形外科の技術蓄積が必要であり、その発展の道筋に本質的な違いはありません。同時に、カスタマイズビジネスの発展は、医学と工学を組み合わせたローカライズされたサービスモデルになる傾向があり、将来は間違いなく国内プレーヤーのものとなるでしょう。メディカルフィット

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