NJTUの3Dプリントされたアクティブバイオニック骨は体内で発達できる

出典：西安イブニングニュース

西北工科大学機械電気工学部の王ヤネン教授は、3Dプリント技術を3Dプリント活性バイオニック骨の分野に応用し、バイオメディカル3Dプリントの新たな道を模索しているとみられる。現在の動物実験では、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、機械的特性と高い一貫性を実現できます。生体内での動物実験では、この技術によって製造されたバイオニック骨が生体内で「発達」できることが示されています。

注: 写真はインターネットから引用したものです
バイオニック骨の印刷における最大の難しさは「活動」にある
バイオニック骨を印刷する上で最も難しいのは、その「活動性」です。どうすれば、生体骨と非常に類似したものにできるのでしょうか。生体骨と「完全に適合」し、生体骨の機能を置き換えることさえできるのでしょうか。これはこの技術にとって大きな課題であり、科学者たちが探求しようとしている鍵でもあります。

現在行われている動物実験では、王ヤネン教授が製作した3Dプリントのアクティブバイオニック骨は、天然の骨の組成、構造、機械的特性と高い一貫性を実現しており、本物と見分けがつかないほどです。生体内動物実験では、この技術によって製造されたバイオニック骨が体内で「発達」し、人工骨内で自己細胞が成長することさえ可能であり、最終的には人工骨が天然骨とうまく成長し、動物の内部環境にうまく統合できることが示されています。この技術の主なパラメータ指標は現在、高度なレベルにあります。

将来的には、3Dプリントされた人工骨が骨欠損の治療に新たな希望をもたらすかもしれない。<br /> 骨欠損は整形外科診療所で最も一般的な疾患の一つです。骨欠損の修復と再建は常に国際的な臨床課題となっています。従来の金属やポリマー材料では、制御不能な生体構造、不適合な機械的特性、生体適合性の低さ、発達機能の欠如、運動脱臼、摩耗などの術後合併症が発生します。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。

注: 画像ソース: インターネット。科学者たちはこの問題を克服するためにたゆまぬ努力を続けてきました。 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 プリンティングは 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。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（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ると理解されています。したがって、3Dプリントセラミック骨が臨床応用されるまでには、まだ少し距離があります。

私は自分の努力で母の足の怪我を治したいと思っています。
2004年、西北工業大学の博士課程に在籍していた王ヤネン氏は、「人工骨の3Dプリント技術と装置を開発する」という野心を掲げた。このアイデアの起源について、王衞恩さんは率直にこう語った。「私の母は足に障害があり、当時はただ自分の力で母を治したいと思っていました。」動きを変えることができない母を見るたびに、彼はいつも特に苦しい思いを感じていた。

基礎理論の探究から、接着剤や印刷材料の比率の選択、バイオニック骨の生体活性の研究、プリンターの構造設計からハードウェア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。王ヤネン氏は15年の間に、生物学的3Dプリンティングの素人から今日の専門家へと成長し、理論研究から応用探究へと新たな道を切り開きました。

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。海外で酸性接着剤が使用される理由は、手術後に患者に痛みを引き起こすためです。

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。

注：画像ソース：インターネット。まず、バインダーは主に表面張力の高い粘性の有機化合物です。これを、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方法が最大の課題となります。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解決策を試し、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。

王ヤネン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、移植する個人に最も適した人工バイオニックバックボーン材料を印刷することに成功しました。

アクティブバイオセラミックバイオニック骨 3D プリント技術の発明<br /> 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。王ヤネンは、アクティブバイオセラミックバイオニック骨3Dプリント技術を発明し、「どのようにプリントするか」という問題を解決しました。

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。

同時に、研究チームはバイオニック骨と天然骨の透過性検出装置も開発し、バイオニック骨の発達能力を簡単かつ迅速かつ客観的に評価できるようになりました。動物実験では、人工骨は動物の体内に移植された後、順調に発達することが示されています。移植動物の代謝を通じて、人工骨内で自己細胞が成長し、最終的には完全な自己骨に成長します。

注：画像出典：インターネット。中国人民解放軍の西北工科大学と空軍医科大学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、明らかな技術的利点があります。

王ヤネン教授によれば、研究チームはバイオニック骨、軟骨、皮膚の3Dプリント技術を習得したという。「次のステップでは、真皮の汗腺、毛包、皮脂腺などの構造を安定的に印刷する技術を研究し続け、自然な肌に非常に近いものにしていきます」とチームの教師である魏青華氏は語った。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。

動物実験から臨床応用まで、3D プリントされたバイオニック骨や皮膚の実現にはまだまだ長い道のりが残っています。現在、王ヤネン教授は空軍医科大学と協力し、3Dプリントされたアクティブバイオニック骨の応用を共同で研究しています。

出典：西安日報

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