迅速かつ安価に生産できる3Dプリント「超弾性骨」が頭蓋骨修復の新素材となることが期待される

出典: 3Dサイエンスバレー

『Plastic and Reconstructive Surgery』誌の5月号では、頭蓋顎顔面修復のための費用対効果の高い新素材になると期待される、3Dプリントされた超弾性骨合成素材が報告されました。

この研究は、ノースウェスタン大学とイリノイ大学保健学部のラミール・N・シャー博士の研究チームによって実施され、予備的な結果では、この物質がラットの頭蓋骨欠損部の骨再生を加速させたことが示された。

超弾性骨スキャフォールド画像: 3D プリントされた超弾性骨スキャフォールドのマイクロコンピューター断層撮影。出典: Plastic and Reconstructive Surgery。

3D プリントによる高速かつ安価な生産<br /> 研究チームは、頭蓋顎顔面再建の分野では費用対効果の高い骨代替材料に対する需要が大きく、超弾性骨はこの分野での応用に大きな可能性を秘めていると述べた。

研究者らは、この物質をラットに投与した動物実験の結果を報告した。外科的に頭蓋頂点に欠損を生じたラットで、超弾性骨を用いた予備実験が行われた。実験に使用されたネズミの頭には、自然に治癒するのが難しい「危機的大きさ」の頭蓋骨の欠陥があった。この欠陥は、脳腫瘍の手術を受けた患者に見られるものと似ています。

上: 超弾性骨と硫酸銅 (CuSO4) 材料、および直径 8 mm の 3D プリントスキャフォールド。左下: 直径 8 mm の超弾性骨スキャフォールドのマイクロコンピューター断層撮影再構成 (上面図と断面図)。右下: 関連する寸法と特徴を強調したマイクロコンピューター断層撮影の断面図の詳細。
研究チームが開発した超弾性骨材料は、主にハイドロキシアパタイト（骨のミネラル）と、広く使用されている生体適合性材料であるポリグリコール酸で作られた3Dプリントの足場です。スキャフォールドは、新しい骨の成長と再生を促進する複雑な格子構造を持ち、手術中に簡単に圧入したり切断したりできるほどの延性を備えています。この超弾性骨修復足場は、3D プリント装置を使用して迅速かつ安価に製造できます。

動物実験では、3Dプリントされた超弾性骨を使って頭蓋骨の欠損を修復するだけでなく、動物自身の体と骨ミネラル材料を含まない修復用足場を使って他の頭蓋骨の欠損も修復した。自家骨は骨欠損の再建に好まれる材料ですが、この天然材料は入手が難しく、体の他の部分から骨を採取する必要があります。適切な自家骨が入手できない場合もあります。

実験結果では、3D プリントされた超弾性骨が良好な骨再生をもたらすことが示されました。追跡CTスキャンでは、超弾性骨は自家骨と比較して8週間後に約74%の有効性を示し、12週間後には65%の有効性を示しました。ポリグリコール酸材料のみを含み骨ミネラル材料を含まないスキャフォールドで修復された欠損部では、新しい骨形成はほとんど見られませんでした。

顕微鏡検査により、超弾性骨の足場が最初は線維組織に、次に新しい骨細胞に徐々に囲まれていることが明らかになりました。時間が経つにつれて、スキャフォールドは徐々に新しい骨に完全に置き換えられ、移植された骨ミネラルが組み込まれます。

研究チームによると、超弾性骨修復スキャフォールド技術のさらなる開発により、この3Dプリント材料が、すでに市場に出回っている自家骨や頭蓋顎顔面修復インプラントの代替品になる可能性があると考えている。次に、研究チームは、超弾性骨がどのような特定の種類の頭蓋顔面再建に適しているかを確認するために、さらなる実験研究を行う必要があります。

市場調査によると、従来の頭蓋骨修復インプラントの準備方法と比較して、3D プリント技術には頭蓋骨材料の製造において主に 2 つの利点があります。

- 欠損部のサイズに非常に適合した形状のインプラントを準備することで、手術中の手作業による成形や切断における医師の作業負荷を軽減し、手術時間を短縮し、患者の術後感染リスクを軽減します。

- 多孔性頭蓋骨修復スキャフォールドを作製するプロセスは数多くありますが、従来の多孔性スキャフォールド材料の作製方法は手作業であり、再現性に乏しいです。添加された気孔形成剤には潜在的な毒性副作用があり、気孔の連結性が悪く、気孔サイズを制御できず、複雑な形状の骨修復スキャフォールドを製造することはさらに不可能です。 3D プリント技術は、スキャフォールドの多孔性、気孔サイズ、気孔容積、空間配置、その他の表面特性の制御を大幅に実現できるため、骨組織工学スキャフォールドの構築に新たなアプローチを提供します。

我が国の科学研究機関や企業も、骨欠損の分野における3Dプリントハイドロキシアパタイト合成材料スキャフォールドの応用について徹底的な研究を行ってきました。例えば、広州ジュプテクノロジー株式会社は、自家骨粉末、ヒドロキシリン酸カルシウム、希リン酸を合理的に混合して適切な混合材料を調製し、一定の温度で3Dプリントを実行して、最終的に機械的強度の高い人工頭蓋骨パッチを得ています。

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