心血管疾患における3Dプリント技術の応用と進歩

著者: 馬一群、王家平、楊素平 (昆明医科大学第二付属病院)

南極クマの紹介：目的科学の進歩と医療・健康産業の継続的な発展に伴い、3D プリント技術は徐々に臨床医学研究に応用され、病気の診断と治療に新たなアイデアを提供してきました。近年、新素材の研究開発や体外心血管モデルの確立により、心臓血管外科などの分野における3Dプリント技術の応用価値が継続的に向上しており、その発展の可能性も社会から広く注目されています。本稿では、近年の国内外の心臓血管分野における 3D プリント技術の研究と進歩をレビューし、さらに組織工学における 3D プリント技術の応用を検討し、正確で個別化された疾患治療を実現するための参考資料を提供することを目指します。

心血管疾患は、心血管疾患および脳血管疾患全般を含み、高血圧、高脂血症、動脈硬化症などの疾患によって引き起こされる心臓、脳、全身組織の出血性または虚血性疾患の総称です。世界中で死亡原因の第1位を占めています。世界疾病負担の最新データによると、2016年に世界中で心血管疾患による死亡者数は1,764万7,000人に達し、がんや慢性呼吸器疾患による死亡者数の合計を上回り、人類の健康に深刻な脅威をもたらしています。そのため、心血管疾患の早期発見と治療が重要であり、臨床現場では新たな診断・治療法の研究が早急に必要とされています。

1 3Dプリント技術の概要
3D 印刷技術 (3 次元印刷) は 19 世紀後半に誕生しました。ラピッドプリンティング技術または積層造形 (AM) 技術とも呼ばれます。この技術では、コンピューターの 3D イメージングソフトウェアを使用して、取得した 2 次元断層撮影データを整理し、3 次元再構成画像を取得し、標準テッセレーション言語 (STL) ファイルを生成して 3D モデルを印刷します。3 次元形状を取得した後、レイヤー化して印刷し、重ね合わせます (図 1 を参照)。 3D プリントモデルの製造プロセスには、通常、モデルの取得、3D プリント、プリント後の処理という 3 つの段階が含まれます。現在、医療分野で一般的に使用されている印刷方法には、直接 3D 印刷、選択的レーザー焼結 (SLS)、熱溶解積層法 (FDM)、ステレオリソグラフィー、生体材料印刷、インクジェット印刷などがあります。 3Dプリンティングは、精度、利便性、パーソナライゼーションの利点により、整形外科、口腔外科、血管外科などの多くの医療分野で広く使用されています[5]。

2 心血管疾患における3Dプリント技術の応用
2.1 心臓血管モデルの印刷 現在、心血管疾患の診断と術前計画は主にCTAやMRIなどの画像技術に依存しています。しかし、画像診断は医師個人の医療品質に大きく依存しており、その結果は2次元画像であるため、医師と患者とのコミュニケーションには役立ちません。画像技術に基づく 3D プリントモデルにより、検査結果がより直感的になり、心血管系の正常な解剖学的構造と微細な病変をより具体的に表示できるため、臨床医はさまざまな角度から病変を観察し、正確に診断および治療することができます。パーソナライズされた 3D プリントモデルは、臨床医が最適な手術戦略を選択し、手術中に発生する可能性のあるさまざまな問題を予測するのに役立ちます。同時に、3D プリントモデルの使用により、介入および手術計画が改善され、放射線被ばくが軽減され、手術の効率が向上し、患者の安全が確保されます。大動脈には多くの血管枝と複雑な解剖学的構造があり、従来の画像検査では大動脈疾患とこれらの複雑な構造との真の関係を探ることは困難です。3Dプリントは大動脈解離、動脈瘤と大動脈の関係を正確に表示し、大動脈疾患の解剖学的特徴を直接視覚化して評価することができます。

2017年、ダニエル・ホー氏らは3Dプリント技術を使用して、大動脈弓部動脈瘤の患者2名用の3Dプリントモデルを作成し、真腔と偽腔のサイズと形状を含む大動脈構造と病変の解剖学的詳細を再現することに成功しました。 Anwar らは、3D プリントされた心臓モデルには、血液プールモデルと中空モデルという 2 つの主な形式があると指摘しました。血液プールモデルは、心室および血管内の血液プールの 3 次元表現です。血液プール信号をセグメント化して作成され、通常は造影 CT または MRI から得られます。このモデルは、大血管、心臓外血管、気管や食道などの周囲構造を良好に可視化しますが、心臓内の解剖学的構造の理解が限定的であるという欠点があります。中空モデルとは、心筋と血管壁を表すために血液プール信号の周囲にグリッドを使用し、その後、デジタル的に血液プール信号を除去して心臓内腔を表示することによって得られる中空モデルのことです。このモデルは、心臓内の解剖学的構造を詳細に表示できます（図2を参照）。

心臓血管手術や介入手術の前に、3D プリント技術を使用して作成されたモデルは、画像結果をシミュレートされた実際の血管の状態に変換することができ、医師による術前評価や手術計画の策定に役立ちます。先天性心疾患患者の変形した心臓のさまざまな構成要素の複雑な構造により、手術計画が困難になっています。最新技術の 1 つは、術前計画に 3D プリント技術を使用することです。 2018年、ムーアらは3Dプリント技術を使用して、左鎖骨下動脈遠位部に動脈管開存症（PDA）と大動脈弓離断症（IAA）のある生後7日の新生児の血管3Dモデルを作成しました。このモデルにより、外科医が上行大動脈をギャップで吻合し、下行大動脈を弓の近位端に縫合して左鎖骨下弓まで延長できることが確認されました。手術は無事に完了し、3Dプリントによる術前計画の実現可能性が実証されました。

心臓移植は乳幼児の単心室修復不全に対する究極の治療法ですが、変形した心臓や血管の実際の解剖学的構造は予測できない場合があります。手術の成功率を向上させるために、Sodianらは3Dプリント技術を使用して、128列CT画像と磁気共鳴血管造影に基づく3次元解剖モデルを作成し、単心室修復不全の患者2名を手術前と手術中に評価し、より直感的な解剖学的情報を得て、手術を無事に完了しました。 3D プリントモデルの使用は、心臓血管外科医が心臓移植時に手術オプションを選択するのに役立ちます。複数のデータソースを融合して画像化することで得られる 3D プリントモデルは、将来、パーソナライズされた心臓の開発を促進する可能性があります。

2.2 インプラントの印刷 現在、血管内インプラントの製造に 3D プリント技術が使用されることはほとんどありません。その理由としては、次のようなことが考えられます。
①血管手術器具の生産は基本的に治療の要求を満たすことができる。
②3Dプリント技術は、微細操作の難しさをまだ克服していない。
③3Dプリント技術は生物学的耐性の問題を解決しておらず、印刷されたモデルには生理機能や生物学的活性の欠陥がある。
④従来のステントに比べ、3Dプリントステントは高価です。

3D プリントインプラント技術はまだ初期段階ですが、吸収性血管スキャフォールドの分野では大きな可能性を秘めています。科学技術の発展に伴い、従来の非吸収性金属ステント、薬剤コーティングステント、カバーステントから、徐々に臨床現場で使われるようになった生分解性ステントまで、さまざまな新しいタイプのステントが生み出されてきました。生分解性ステント (BRS) の開発により、永久ステントの限界が克服され、完全な生体吸収や機械的柔軟性などの重要な利点がもたらされます。近年、吸収性金属、ポリマーなどを3Dプリントの原料としてBRSを製造し、プロセス製造、レーザー切断、材料革新などの研究に応用され、3Dプリント技術を利用してパラメータを調整し、自分でサイズを変更できるステントを製造しています。 Park らは、熱溶解積層法を使用して薬剤コーティングされた BRS を製造し、動物に使用することに成功しました。従来の金属切断および製造プロセスと比較して、3D プリント技術を使用すると、より短時間でブラケットを製造し、より正確な結果を達成できる場合が多くあります。ラビオネットらは新しい3D

チューブラープリンターはポリマーを使用してBRSを迅速に製造できます。研究結果によると、印刷プロセスは5分以内に完了し、精度は85％です。この技術の設計と応用は、BRS製造の未来をリードし、正確でパーソナライズされた病気の治療を実現する可能性があります。

2.3 人工血管の印刷 現在、人工血管の印刷の分野では、3D プリント技術はまだ初期段階にあります。現在使用されている印刷材料には生体適合性が不十分であるなどの欠点があるため、3D印刷材料が人工血管の印刷分野でこの技術が広く使用できない主な理由となっています。 3D プリント技術を使用して生体組織構造を構築する方法は、依然として困難な課題です。外因性物質の移植は、細胞間の相互作用に影響を与えたり、細胞外マトリックスの正常な生理機能を破壊したり、身体との拒絶反応を引き起こしたりするなど、体内で多くの有害反応を引き起こす可能性があり、組織工学におけるさらなる応用が制限されます。科学技術の発展に伴い、3D 細胞印刷技術が組織工学の分野に徐々に導入されてきました。

3D 細胞印刷技術の主な特徴は、刺激性の化学物質を使用せずに生理学的条件下で相変化を起こし、細胞を損傷しない生体材料ハイドロゲルを使用することです。その主な利点は、人工的に制御して、生きた細胞、成長因子、生物学的足場を正確な場所に同時に配置して、本来の組織構造をシミュレートできることです。この技術は組織の活力を維持し、組織機能を発現させるのに効果的です。ミラーらは、炭水化物ガラスの3次元フィラメントネットワークを分離し、細胞が詰まった柔らかいハイドロゲルに注入して数ミリメートルから数センチメートルの組織を形成できる押し出し印刷技術を開発した。その後、炭水化物ガラスを緩衝液または培養液に溶解して灌流可能な相互接続チャネルネットワークを確立し、これを血液灌流のない肝臓に移植する。高動脈圧の作用下で、灌流チャネルネットワークは肝細胞の代謝機能を維持し続けることができる。

3D 細胞印刷技術の応用が成功したことで、3D プリント人工血管の製造に新たなアイデアが生まれました。毛細血管から動脈までの血管階層を統合することは、血管印刷の分野では常に大きな課題でした。Lee らは、3D 細胞印刷技術を組み合わせて、最初に大径の血管チャネル (0.5 mm ～ 1 mm) を作成し、次に自然な形成プロセスを通じて隣接する毛細血管ネットワークを作成する印刷方法を提案しました。この方法は、毛細血管と大きな灌流血管チャネルを接続するための実現可能なソリューションを提供します。 3D 細胞印刷技術は、将来最も効果的な組織製造技術となる可能性が高いです。この技術は、人間の細胞に基づく組織モデルの作成、再生医療用の完全に機能する組織の作成、病気のシミュレーションや医薬品開発に大きな可能性を秘めています。再生医療を研究室での発見から臨床応用へと変えるのに役立ちます。

2.4 医師と患者のコミュニケーションと指導に使用 臨床業務において、医師と患者間のコミュニケーションは医師にとって避けられない医療活動です。医師と患者の間の良好なコミュニケーションは、患者が自分の状態をより明確に理解し、治療に積極的に協力し、医療上の紛争を減らすのに役立ちます。さまざまな画像検査技術が継続的に更新および開発されることにより、臨床医は病気の複雑な解剖学的構造と微妙な病変についてより深く理解し、知識を身に付けています。現在、画像検査の結果は医師が患者から得た直接的な臨床データですが、心臓血管分野では画像検査にはまだ多くの欠陥があります。従来の2次元画像検査技術の完全性と信頼性には限界があり、多くの重要な空間情報が失われることがよくあります。

伝統的な画像検査法であるCTは、高い空間分解能と密度分解能を備えていますが、CTの単純スキャン条件下では心筋組織と結合組織の密度差を明確に区別することは容易ではなく、正確な解剖学的構造を表示することは困難です。 MRI は CT スキャンよりも心臓を鮮明に映し出すことができますが、検査に時間がかかり、操作が複雑で、制限が多すぎるため、患者のコンプライアンスが低下します。 CT/MRI 3次元再構成は、コンピューターの3次元再構成技術を使用して、取得した患者の画像データを3次元モジュールに後処理し、そのデータをコンピューターにインポートするプロセスです。患者の画像データは、コンピューターを介して複数の角度から観察され、より直接的な結果と診断を得ることができます。ただし、この技術の適用は、画像機器の性能と個々の医師の医療品質に大きく依存します。場合によっては、患者の心血管状態を完全に評価できないことがあります。

画像ベースの 3D 印刷技術では、取得した患者の画像データを使用して、3D プリンターで 3D モデルを直接かつ正確に印刷し、心血管系の正常な解剖学的構造と微細な病変をより正確に表示し、構造的心疾患の術前準備のためのより包括的な情報を提供します。同時に、3Dプリントモデルは製造が速いだけでなく、形態や構造がより直感的であるため、患者や専門知識が不十分な人でも理解しやすく、医師と患者の間のコミュニケーションも促進されます。 3Dプリントは教育にも活用できます。研究調査によると、従来の画像教材や書籍による教育と比較して、3Dプリント教育グループは専門知識と心血管解剖構造の評価において優れた成績を収めました。したがって、3Dプリント技術は医学部の学生、研修医、一般研修生の教育と評価に活用できます。

3 3Dプリンティングの発展と展望統計的手法 要約すると、3D プリントは、臨床医に診断のアイデアを提供し、術前計画を準備し、手術に必要な新しい材料を提供できるだけでなく、医師と患者のコミュニケーションや教育研究を促進することもできます。今日では、3D プリント技術は、高精度、高速生産、オンデマンド生産などの利点により、臨床現場でますます評価されています。イメージング技術と材料科学技術の発展に伴い、心臓血管 3D プリントの精度とバイオニック度は向上し続け、新しいバイオニック材料の作成に強力なサポートを提供します。しかし同時に、3D プリント技術はまだ成熟しておらず、複雑な操作、一部の領域での生産コストの高さ、印刷された物体の血液供給と栄養状態の悪さ、印刷された物体が体内に埋め込まれたときの免疫拒絶反応、後処理のエラーにより最終モデルが元のデータと大幅に異なる結果になる可能性があるなど、多くの面で依然として大きな課題に直面しています。 3D プリント技術にはまだ多くの欠陥がありますが、科学技術の発展に伴い、3D プリントは徐々に成熟し、医療にさらに大きな貢献を果たすようになります。

参考文献

著者: 馬一群、王家平、楊素平 (昆明医科大学第二付属病院)
出典: 現代医学

心血管疾患における3Dプリント技術の応用と進歩

積層造形への応用: Ti-6Al-4V の応力緩和挙動とメカニズムのその場中性子回折

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自動車軽量化分野における3Dプリント技術の応用の分析

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