ノースウェスタン工科大学: 3D プリントによるアクティブバイオニックボーン研究の画期的な進歩

出典：中国青年報

最近、西北工科大学機械電気工学部の王ヤネン教授のチームが、3Dプリント能動バイオニック骨技術で画期的な進歩を遂げました。チームが開発した3Dプリント能動バイオニック骨は、天然骨の組成、構造、機械的特性と高い整合性を実現できます。生体動物実験では、この技術で作られたバイオニック骨が体内で「発達」し、人工骨の中で自己細胞が成長することさえ可能であることが示されています。最終的には、人工骨は天然骨と一緒にうまく成長し、動物の内部環境にうまく統合されます。この技術の主なパラメータ指標はすでに高度なレベルにあると認識されています。同時に、チームはバイオニック骨、軟骨、皮膚の3Dプリント技術も習得しています。

生骨と天然骨の違い。（写真提供：ノースウェスタン工科大学）

3Dプリント人工骨は骨欠損治療に新たな希望をもたらすかもしれない

骨欠損は整形外科における一般的な臨床疾患であり、毎年 1,000 万人以上の患者が骨欠損に苦しんでいます。骨欠損の修復と再建は常に世界的な臨床問題となっています。金属やポリマー材料で作られた従来の人工骨には、生体構造が制御不能、機械的特性が一致しない、生体適合性が低い、発達機能がない、運動による脱臼や摩耗、術後の合併症が頻発するなどの問題があります。特に、生物学的活性のない人工関節は人体の中で発達することができず、自然の骨とうまく融合することができず、修復するためには二次手術が必要になります。

この問題を克服するために、世界中の科学者たちがたゆまぬ努力を重ねてきました。 3D プリント技術の登場により、バイオセラミックスで作られた 3D プリント骨は、最も理想的な骨充填材料として認識されるようになりました。

バイオメディカル 3D プリントは 1990 年代に始まり、最初にアメリカの科学者によって提案されました。当初、3D プリント技術は人工組織工学の足場を作るために使用されていました。 3D プリントはパーソナライズされたカスタマイズという大きな利点があるため、バイオメディカルコミュニティの注目を集めています。この技術は20年以上の開発を経て、初めて臨床現場で使用されました。

近年、海外の研究機関は3Dプリントされたバイオセラミック骨インプラント医療機器を開発しています。しかし、酸性結合剤と機能勾配の使用により、この技術ではセラミック骨の完全な分解はまだ達成されておらず、移植後に患者に激しい痛みなどの副作用を引き起こすことになります。中国では、この研究（この記事で言及されている西北工科大学の3Dプリント生体骨技術を含む）はまだ基本的に動物実験の段階にあります。そのため、3Dプリントセラミック骨が臨床応用されるまでにはまだまだ時間がかかります。

2004年、西北工業大学の博士課程に在籍していた王ヤネンさんは、母親の足の障害に心を痛め、「人工骨の3Dプリント技術と装置の開発」という目標を掲げました。その後の 10 年間、彼は数々の困難を克服し、バイオニックボーン 3D プリントの方向へと進み続けました。基礎理論の探求から、接着剤や印刷材料の比率の選択、バイオニック骨の生物学的活動の研究、プリンターの構造設計からハードウェアの開発と制御システム、動物実験から試験装置の研究開発まで、王ヤネンは15年を費やして、理論研究から応用探索まで、生物学的3Dプリントの新たな道を切り開いてきました。

人工骨を「生かす」

王衞恩氏のチームが開発した3Dプリントバイオニック骨の核となる技術は「バイオニクス」にある。伝統的な陶器の骨と天然の骨の特性には依然として大きな違いがあるため、動物において良好な発達を達成することができません。この問題を解決するために、王ヤネンはまず印刷材料から着手しました。ハイドロキシアパタイトは現在、人間の骨を模倣する汎用的な材料です。しかし、粉末状のハイドロキシアパタイトをどのように結合させるかは、常に難しい問題でした。海外では酸性接着剤が使用されており、手術後に患者に痛みを引き起こします。

王ヤネン氏は「化学者にとって、ハイドロキシアパタイトを結合できる材料を見つけるのはおそらく非常に簡単だろうが、この問題が3Dプリントと人体への応用に限定されると、極めて複雑になる」と述べた。

まず、バインダーの多くは表面張力の高い粘性の有機化合物であり、それを髪の毛ほどの細さである直径わずか20μm（マイクロメートル）のプリンターノズルに通すのが最大の課題です。同時に、この接着剤は動物や人間の環境にも受け入れられるものでなければなりません。

適切な接着剤を見つけるために、王ヤネンは何百もの異なる選択肢を試し、壊れたノズルをいくつかの大きな箱に詰めました。最終的に、彼は生物環境に近い pH 値を持ち、ノズルを詰まらせない優れた特性を持つ接着剤を発見しました。

王衞恩氏と彼の学生たちは、長年の研究を経て、さまざまな個人の骨の特性に応じて、印刷材料にハイドロキシアパタイト、接着剤、細胞液、タンパク質液（成長因子）などを科学的に混合し、人体への移植に最も適した人工バイオニック骨を印刷することに成功しました。

正確な骨格を作ります

自然の骨は、非常に不規則な外観をしているだけでなく、内部構造も比較的複雑で、部位によって密度が異なります。人工骨の構造を天然骨に似せることは極めて困難です。王ヤネン氏が発明したアクティブバイオセラミックバイオニック骨3Dプリント技術は、「どのようにプリントするか」という問題を解決します。

まず、印刷されたオブジェクトはレーザーを使用して層ごとにスキャンされ、オブジェクトのマクロ構造とミクロ構造が復元されます。従来の 3D 印刷では、材料の配合と粉末の塗布および印刷のプロセスにおいて、材料が単一で、密度が一定、粉末が単一で、粉末の塗布が均一であるため、バイオニックボーンの印刷要件を満たすことはほとんどできません。王ヤネンは印刷制御システムを開発しただけでなく、印刷の重要な機械技術も習得し、複雑な構造、不均一な密度、複合粉末、不均一な粉末の広がりに対するバイオニック印刷を実現しました。

この装置の独自の常温圧電超微細霧化噴霧技術は、細胞液やタンパク質液の噴霧速度と噴霧量を細かく制御することが難しいという技術的ボトルネックを突破し、国際的に先進的なレベルに達しています。

動物実験では、人工骨は動物の体内に移植された後、良好に発達することが示されています。つまり、移植動物の代謝を通じて、人工骨内で自己細胞が成長し、最終的に完全な自己骨に成長します。西北工業大学と中国人民解放軍空軍医科大学（以下、「空軍医科大学」という）が共同で実施した動物実験では、拒絶反応の事例は確認されていない。

「現在の実験では、バイオニック骨が移植者の体にどのような副作用をもたらすかは明確には分からない。何らかの発見をするには長期にわたる追跡調査が必要になるかもしれない」と王ヤネン氏は語った。

テストの結果、3D プリントされたアクティブバイオニックボーンは、天然の骨の組成、構造、機械的特性、その他の特性と非常によく一致していることがわかりました。他の同様の 3D 印刷技術と比較すると、明らかな利点があります。

王ヤネン教授は、チームが現在、バイオニック骨、軟骨、皮膚の3Dプリント技術を習得していることを明らかにした。今後は、真皮の汗腺、毛包、皮脂腺などの構造の安定した印刷技術の探求を継続します。現在、3Dプリントされたウサギの皮膚の移植テストでは、バイオニック皮膚は自己皮膚よりも25％早く治癒します。

王ヤネン氏は、3Dプリントされたバイオニック骨や皮膚は、動物実験から臨床応用までまだ長い道のりがあると語った。現在、彼らは空軍医科大学と協力して、3Dプリントされたアクティブバイオニック骨などの応用を研究している。将来的には、この技術により骨欠損や皮膚損傷などの患者をより良く治癒できるようになり、彼らの生活に新たな希望がもたらされるでしょう。

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