上海交通大学の王成涛教授：「医療用 3D プリントに関するさらなる考察」

2018年10月26日、上海市人民政府の指導、上海市経済情報化委員会の支援、上海付加製造協会の主催により、第3回SAMA国際フォーラムおよび2018年世界3Dプリント年次会議が上海で盛大に開幕しました。この会議には、中国、米国、英国、フランス、ドイツ、オランダ、ベルギー、ニュージーランド、カナダ、日本、韓国、スウェーデン、エジプト、トルコ、ウクライナ、スイス、イスラエルなど、世界30か国以上から約100人の世界トップクラスの専門家と約1,000人の代表者が参加しました。 10月27日には3Dプリント医療応用フォーラムも同時開催され、国内外の医療分野の専門家による素晴らしい発表が行われました。
上海交通大学の王成涛教授が「医療用 3D プリンティングに関するさらなる考察」について意見を述べました。

デジタル整形外科は、主に 4 つの補助分野と 8 つのコンポーネントで構成されています。 4 つのサポートは、デジタルイメージングとコンピューターグラフィックス、デジタル製造技術、デジタル情報技術、および人間の生体力学です。 8 つのコンポーネント: 最上層は医療画像処理とモデリングです。これにより、3D プリントや計画用モデルの使用など、手術計画段階でのデジタル化を実現できます。この計画の結果、パーソナライズされたインプラントが必要になることがよくあります。現在、3Dプリントは個々のインプラントを簡単にカスタマイズすることができ、金属プリントはインプラントを直接生成することもできます。このような精密なインプラントは、医師の手作業による臨床使用には明らかに適していないため、術中ナビゲーションとロボットキャプチャが誕生しました。

手術ガイドも精密手術のための重要な技術的手段となっています。これらの技術は最終的に手術室に導入されます。そのため、今日ではデジタル手術室もデジタル医療の重要な一部となっています。手術後、患者はリハビリテーションに入ります。以前は、デジタル分析を使用してリハビリテーションを行っていました。今日では、3Dプリントされた装具もリハビリテーションの重要な部分になっています。したがって、これら8つのコンテンツのトップレベルは医療画像処理に依存しており、あらゆる部分に3Dプリントが使用されています。そのため、3Dが医療界に入った後、非常に温かい歓迎を受けました。

まず、3Dプリントとモデルガイドはすぐに普通の技術になると思います。医師はそれらを使用することで非常に自然で日常的なものになり、3Dプリントモデルは徐々に科学によって認識されるようになります。今日、3D プリントは、X 線や CT/MRI の発明以来、医療情報源における重要な画期的な技術です。X 線では不十分な場合、患者は CT スキャンを受けるよう求められます。CT スキャンでは不十分な場合、今日の 3D プリントはより包括的なレベルのソリューションを提供します。

3D プリントモデルは、手術前の準備に役立つ非常に重要なアプリケーションでもあります。中国医師会デジタル医療部門は、3D プリントモデルに関する専門家のコンセンサスを発表し、アプリケーションをさらに標準化するための 9 つの適応症を挙げています。この印刷コンテンツは、肝胆道外科および泌尿器科で広く使用されています。

誰もが自分の部門で強力な3Dプリント能力を構築しており、これは標準化と呼ばれています。しかし、なぜ私の標準化が全国的に流行していないのかは、主に規制によるものです。私たちは仁済病院の3Dプリントセンターの設立に協力し、パイロットプロジェクトを行いました。100件のケースを無料で行い、8月1日から9月10日までに44件のケースを実施しました。これは、この需要が客観的に存在することを示していますが、現在は料金の問題によって妨げられています。 12省庁が2020年に料金基準や医療保険の問題を解決するという文書を出したので、すぐに正常化されるのではないかと思います。

私の意見は、その時までに使用されるモデルは二重軌道システムであるべきだということです。大規模な病院は基本的な設計と基本的なソフトウェアを購入し、基本的な問題解決能力を持つべきですが、より多くの機器、より多くのソフトウェア、人材が必要であり、病院が入手するのは不可能で困難であるため、社会や第三者にも頼らなければなりません。病院がこれほど多くの機器やソフトウェアを購入する必要はありません。特に一部の印刷は資格やエンジニアリングスキルが必要であり、それを実現するために産業を設立する必要があります。12の省庁と委員会は、3Dプリントとインターネット技術の組み合わせと社会資源全体の応用について話し合っています。病院と協力すると、病院にはお金やソフトウェアを購入するお金が不足しているわけではないことがわかります。最も不足しているのはエンジニアリングと技術者です。病院がエンジニアリングのスタッフを多数抱えることは不可能です。さらに、ハイエンドの技術人材が必要です。患者を治療できない病院では、ハイエンドの技術人材が発展の見通しを持つことは困難です。したがって、サードパーティの産業のサポートは不可欠です。

2 つ目の考えは、3D プリントインプラントがイノベーションの春を先導したということです。金属 3D プリントは、パーソナライズされたインプラントに新しい世界を開きました。2004 年に国家科学技術進歩賞を受賞したとき、パーソナライズされたインプラントの手段は主に加工センターに依存していました。今日、3D プリントは私たちの技術を重要なレベルに引き上げました。

さらに、3D プリントの最も重要な点は、機械製造ではこれまで不可能だった多孔質材料を製造できることです。多孔質により、解剖学的要件を満たすために非常に軽い構造を使用し、インプラントの剛性を調整し、応力遮蔽を回避し、複数の方法で剛性を調整できます。最も重要なのは、多孔質によりインプラントを本物そっくりにできる可能性があることです。したがって、標準インプラントと個別インプラントの両方にとって大きな可能性を秘めています。
一つの発展は工学分野です。これまでは多孔質焼結チタンボールとチタン粉末に頼っていました。これは私が分析した事例です。壊れたとき、強度は十分であることがわかりました。しかし、なぜ壊れたのでしょうか？それは焼結中に表面が焼けたためです。この問題は、エンジニアリングレベルのソリューションである 3D プリントによって今日解決できます。

2 回目の 3D プリントにより、標準化された多孔質インプラントのバッチが作成されます。現在、北京大学とAikon Yichengの協力などにより、多孔性の方法でさまざまな新しいインプラントを設計することができます。海外でも多くの人気商品が開発されており、私たちにとっても刺激になるものも数多くあります。金属3Dプリントはパーソナライズされたインプラントの開発を強力に推進し、12の国家省庁が発行する文書もこれらを推進するでしょう。

この論文の出版による最大の影響は、これまでの考え方を正したことです。これまでは、突発的なケースや突然の設計ではパーソナライゼーションを実現するのは難しく、リスクを管理しなければならないと考えていました。実際、考え方を正した後、患者に合わせたパーソナライズされたインプラントには多くのものを含めることができることがわかり、当社の標準設計はもはや一連のノードで市場を設定することはなく、患者のニーズに基づいて一連の微調整を行うことができます。

これは典型的なパーソナライズされたインプラントです。実際、それらはすべて、通常のインプラントと同様に強度計算と多くの臨床分析が行われていますが、重要な寸法は患者に合わせて調整する必要があります。その後、それらは標準インプラントに含まれることができますが、患者に合わせたタイプになります。たとえば、骨プレートも将来的には患者に合わせたタイプに含まれる可能性があり、特に頭蓋骨プロテーゼは患者に合わせたタイプに含まれるようになります。

私たちの目標はそれだけではありません。アキレス腱を長くし、十分な力に耐えられるようにすることです。まだ道のりは長いです。医師の創造性は、エンジニアリングコミュニティと協力してさまざまなインプラントを革新することへと移行しています。

金属3Dプリントインプラントの研究をさらに強化する必要があります。多数の実験を実施した結果、静的強度と伸長力は十分であるが、疲労強度が不十分であることがわかりました。これは熱間等方圧プレスによって実現できますが、すべての人が実行できるわけではなく、それが私たちの個々の差別化された発達につながります。現在でも、当社は耐荷重性の低い物理的材料と耐荷重性の高い物理的材料の使用を削減するよう努めています。

1 つ目は、多孔質タイプの選択です。多くのタイプがあるため、硬さを減らして利益を減らすことが目標です。同時に、気孔は組織の成長を促進するものでなければなりません。多孔質の多孔構造を変更することで硬さを調整することは、私たちにとって非常に有益です。天津試験センターも、多孔度と気孔サイズを重要な指標と見なしています。どのように測定するかを調べるために多くの実験を行ってきました。しかし、測定後、同じデザイン、同じプロセスでも、多孔度の差は依然として非常に離散的であることがわかりました。したがって、それを安定させて維持するための優れたプロセスは重要な内容です。また、2つの異なる印刷方法では、同じデザインの多孔度も異なり、これも合理的な制御が必要です。これには測定と規制管理が必要です。今日では、どのように測定するのでしょうか？気孔サイズの定義さえありません。気孔サイズは直径ですが、その多くは穴があっても直径がありません。この場合、どのように検出するのでしょうか？これには標準がありません。詳細な規制で緊急に解決する必要があると考えています。

インプラントの疲労性能については誰もが心配しています。私たちは多くの実験を行い、多孔度が大きくロッドが太いほど良いことを発見しました。Jindianでは、まずサポートを使用して強度の問題を解決し、次に多孔質充填材を使用して業界向けに設計しています。 KKSと協力して、印刷後に残る粉塵の処理を行いました。粉末が人体に出ないのであれば、粒子が大きすぎて細胞が飲み込まず反応しないというのは、私たちが想像していた通りではありません。彼らの大学院生は多くの実験を行い、工業反応は摩耗粒子によるものより低いものの、反応の程度はほぼ半分であり無視できないことを証明しました。そのため、粉末構造は洗浄しやすいものでなければなりません。さらに、規制テストを策定する必要があります。

骨梁は今とてもホットな話題です。表面構造は骨梁構造だという人もいますが、私はこれには疑問を感じます。これは私たちが計算した骨梁の分布であり、実際のものとまったく同じであり、ウォルフの法則が完全に有用であることを証明しています。ここで疑問が湧きます。骨梁のどの部分を作っているのでしょうか? 体全体の骨梁はそれぞれ成長の仕方が異なります。鍵となるのは、実は気孔のサイズと多孔性であり、海綿骨の構造はちょっとした商業的な誇大宣伝であると私は思います。

現在、当社の最大の特徴は多孔質表面です。当社には、元の基盤の上に複雑な構造を構築できるグラフトと呼ばれる印刷技術があり、現在では業界では日常的なサービスとなっています。インプラントに使用できます。これは当社の移植印刷の鏡像です。実験を行った結果、移植部分の強度は母体よりもさらに高いことがわかりました。これは、インプラント開発における当社の研究と応用にとって重要な技術的参考意義を持っています。

出典: SAMA 国際フォーラム

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