学者ダイ・ケロン：3Dプリントは私の人生を魅了してきました

3Dプリンティング技術は、「ラピッドプロトタイピング技術」や「付加製造技術」とも呼ばれます。デジタルモデルファイルをベースに、粉末金属やプラスチックなどの接着可能な材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築する技術です。 3Dプリンティングは1990年代半ばに導入されて以来、金型製造や工業デザインなどの分野でモデルの製造に広く使用され、その後徐々に製品の直接製造にも使用されるようになりました。

近年、3Dプリント技術の発展は医療分野に大きく貢献しています。たとえば、医療モデル、補助器具、義肢、手術ガイド、骨、軟骨、または血管、胆管、気管、尿道、さまざまな組織や臓器の支持具や代替品の作成などです。では、3D プリントは Bian Que の技術をどのように実現するのでしょうか。医療業界にとってその存在意義は何でしょうか。現在、その開発はどのような問題に直面しているのでしょうか。

大型ドキュメンタリー『3Dプリント、偉大な国の材料』の中で、中国工程院院士であり、上海交通大学医学部付属第九人民病院3Dプリントイノベーション研究センター所長の戴克栄教授（以下、「戴院士」）が、上記の質問に対して比較的詳細な回答をしました。

3D プリントを使用して、医療分野における 100 年来の課題である「パーソナライゼーション」の需要を解決する「3D プリントは、多種多様なユニークな製品を作成できる手段です。医療と 3D プリントの密接な関係を促進する根本的な理由は、医療が古代から直面してきた大きな需要である「パーソナライゼーション」です。」 3D プリントについて語る際、院士の戴氏はこう切り出した。彼の人生の後半は、3D プリントと切っても切れない関係にある。

戴院士の記憶によると、37年前、彼は全距骨切除を必要とする腫瘍患者に出会った。当時、距骨に代わる人工関節は世の中に存在せず、担当医チームは患者に合わせて人工距骨をカスタマイズすることしかできなかった。これは、戴院士が足の骨に「個別」のカスタマイズが必要なケースに遭遇した初めてのケースでもありました。

「足首にある12個の骨の中で、距骨は最も重要な骨です。人工距骨には、上部、下部、前面の関節面も必要です。また、十分な耐荷重性と安定性も必要です。距骨の大きさと形は人それぞれです。」多くのデータ計算と修正を経て、チームはついに切除した距骨をカスタマイズされた人工距骨に置き換えることに成功しました。今日まで、患者は足を引きずることなく自由に移動でき、自転車に乗ることも、軽い肉体労働もできます。

最初の「パーソナライズ」カスタマイズ事例の成功は、戴院士に大きな励みを与えた。 1982 年以降、戴院士はチームを率いて、一部の患者のために膝関節、股関節、肩関節、さらには骨盤の半分までカスタマイズしました。

1990年代になると、患者の「個別化された」ニーズを満たすための人工的なカスタマイズが徐々に標準となり、このとき戴院士は難しいケースに遭遇した。

ある会計主任は、幼少期から両股関節に先天異常を患っていました。両股関節が重度に脱臼し、両側に激しい痛みが生じ、仕事や生活に深刻な影響を及ぼしていました。最終的に、移動には車椅子に頼らざるを得なくなりました。戴院士の記憶によると、患者の股関節の解剖学的構造と幾何学的形状は一般人と大きく異なり、深刻な二次的損傷を伴っていた。医療機器会社は患者の要求を満たす人工関節を提供できず、彼は初めて途方に暮れた。

窮地に陥っていたとき、上海交通大学の王成涛教授が戴院士に朗報をもたらした。「王成涛教授は、模型を使って患者の関節や骨空洞の大きさ、位置、関係を簡単かつ正確に『コピー』できる『ラピッドプロトタイピングマシン』と呼ばれる装置が世界に存在することを初めて教えてくれました。」

当時、戴院士は「ラピッドプロトタイピングマシン」がこの難症例のために作られた製品であると感じました。真相を突き止めるために、担当チームはラピッドプロトタイピングマシンでカスタマイズされた人工関節を人工モデルに取り付けて繰り返しドリルを行い、正しいことを確認してから患者の手術を手配しました。最終的に、患者は模型の助けを借りて、真にオーダーメイドの義歯を受け取ることになります。

手術が成功した後、当時は歩くこともできなかった患者は、会計主任として仕事を再開しただけでなく、天安門広場を訪れ、自ら万里の長城に登り、今では世界中を旅する旅行愛好家となった。

この事件以降、3Dプリントによるパーソナライズカスタマイズは、戴克栄氏のチームにとって欠かせない医療技術へと徐々に発展していった。同時に、数百件の症例を扱ってきた戴院士は、医療業界において「パーソナライズ」の需要が巨大な市場を持つ発展方向であることを深く理解しています。

同氏は、「骨折を固定するための骨プレートや、さまざまな関節用の人工装具のサイズは、わずか 5 ～ 7 種類しかありません。これらの数種類のサイズで、毎年数十万人、あるいは数百万人のニーズを満たす必要があり、その結果、多くの場合、間に合わせの方法で治療されています。したがって、個人のニーズを満たすことが、医療の質を向上させるための重要な方向性となるでしょう。」と述べています。

医療の発展全体を振り返ると、「パーソナライズ」のニーズは常に業界の最大の課題の1つでした。3Dプリント技術の進歩と推進は、パーソナライズ医療への想像力と希望に満ちた扉を開くことに等しいのです。戴院士は今でもよくため息をつく。「3Dプリントは本当に素晴らしい。多くの医師の夢が実現できるので、私たちはとても興味をそそられます。患者の体内に埋め込まれるもののほとんどをカスタマイズできれば、どんなに素晴らしい光景になることでしょう！」

3Dプリントの出現は、蒸気機関とインターネットに例えることができる。
2003年、上海第九人民病院の協力会社が、わが国で初めて、そして今のところ唯一のカスタマイズ人工関節製造ライセンスを取得しました。 2013年、戴院士と上海交通大学の工学教授らは共同で上海第九人民病院3Dプリント技術臨床変革研究開発センターを設立し、2015年には上海交通大学医学部3Dプリント技術臨床変革協同イノベーションセンターを設立し、2016年には上海交通大学医療3Dプリント技術イノベーション研究センターに昇格し、「第13次5カ年計画」の国家重点研究開発プロジェクト3件の支援を受けた。

「開発プロセスを通じて、第九病院の整形外科、歯科、眼科、形成外科、耳鼻咽喉科、さらには神経科は、3Dプリントと切っても切れない絆を築いてきました。3Dプリントは製造技術ですが、深く考えてみると、その医療応用の核心的な保証は『医工融合』、あるいは『医工生産融合』であるはずです」と、20年以上にわたり3Dプリントを医療に応用してきた院士の戴氏は本音を語った。

戴院士はさらに、「医学と工学の融合」こそが医療業界で3Dプリンティングをより深く、より良く推進する唯一の方法であると説明した。医師が 3D プリント技術を理解していなければ、どうやってラピッドプロトタイピングを実現できるでしょうか。また、エンジニアが 3D プリント技術を習得しても、それが医療でどのような役割を果たし、どのように活用できるかを知らないとしたら、どうやって「パーソナライズされた」カスタマイズを実現できるでしょうか。

ご存知のとおり、3D プリント技術が最初に発明されたとき、それは主に金型製造、工業デザイン、および製造業のその他のプロセスで使用されていました。当時、この技術は「米国製造業の継続的な衰退を反転させる潜在的な転換点」とみなされていた。オバマ元米国大統領も一般教書演説で「3Dプリンティングはほぼすべての製品の製造方法に革命を起こす可能性がある」と述べた。

戴院士もこれに同意している。「古代から現在まで、私たちが行ってきた製造と加工はすべて『減算型製造』または『等材料製造』です。大きな木片を斧で切り、ナイフで彫り、最終的に必要な製品が作られますが、これにより多くの材料が無駄になります。金属製のボウルを作るには、旋盤、フライス盤、グラインダーを使用して、3次元の金属ブロックにボウルを彫る必要があります。このボウルは材料全体の約20％を占めるだけの場合があり、多くの材料の無駄と多くの冗長な処理を引き起こします。」

3D プリント技術は、比較的高速で、シンプルで、環境にも優しいです。 3D プリントでは、空のプラットフォーム上に最初の層の材料粉末を置き、加熱または接着剤で固定し、次に 2 番目、3 番目、4 番目の層の材料粉末を置き、層ごとに結合します。全て完了後、余剰の材料粉末は回収され、二次利用されます。使用する材料粉末の90％以上を有効活用できます。

したがって、医療分野や製造業における 3D プリントの革新的な応用は、革命的な破壊的変化であると考えられています。 3D プリントの支持者の多くは、「3D プリントは古い加工技術の転覆であり、製造業界における前例のない革命です。その出現は、蒸気機関とインターネットに匹敵します。」と考えています。

3Dプリントの開発には早急に「ゴーサイン」が必要
3Dプリント技術の急速な発展に対応して、中国は3Dプリント設備と材料の大量輸入と科学技術成果の転換率の低さという恥ずかしい状況に直面している。「技術がいかに進歩していても、それが本当に皆の心に残る優れた科学技術の成果となるためには、実行されなければなりません。臨床変革を達成することによってのみ、科学の偉大さを反映することができ、科学を利用して一般大衆に利益をもたらすことが私たちの究極の目標です。」戴院士は、臨床変革は常に3Dプリントの発展の中心的なテーマであり、現在国が積極的に推進している方向でもあると述べた。

戴院士が残念に思い、また不安に思っているのは、3Dプリンターの設備や材料の輸入比率が比較的高いことだ。中国には国産の3Dプリンターがたくさんあるが、体内に埋め込む医療機器の製造に直接使用される場合は、外国製の設備が使われることが多い。国産機器・資材の適用率が高まっていることは喜ばしいことです。

「現在、国は3Dプリントの発展を非常に重視しており、この産業に多大な関心と資金を注ぎ込んでいます。私たちは、わが国の3Dプリント産業が世界の最前線に立つことができることを願っています。私たちは、新しい技術、新しい設備、新しい製品に『ゴーサイン』を出すべきですが、この『ゴーサイン』は科学的で真剣なものでなければなりません。なぜなら、製品は患者が使用するものだからです。」戴院士は、科学技術におけるあらゆる改革と革新は最後まで実行されるべきであり、国内の3Dプリント産業の健全で急速な発展を促すために『ゴーサインを出す』ことが唯一の方法であると述べた。

バイオメディカル分野では、3D プリンティングが現在 4D プリンティング、5D プリンティングへと発展していると報告されています。 5D プリンティングでは、時間と組織形成という 2 つの変数が追加されます。印刷後、活性細胞が徐々に皮膚の一部、気管の一部、または臓器を形成します。戴院士は、バイオプリンティングは再生医療の発展において組織や臓器の起源を解決する最も可能性の高い方法であり、再生医療への応用の見通しは非常に魅力的であると考えています。

学者の戴克栄氏は若い頃、形状記憶医療製品の研究と製造に携わっていました。<br /> キャラクター紹介<br /> 戴克栄氏は、上海交通大学医学部付属第九人民病院の終身教授であり、中国工程院の院士であり、フランス国立医学アカデミーの外国通信会員である。現在、上海交通大学医療3Dプリンティングイノベーション研究センター所長、教育部デジタル医療臨床翻訳工学研究センター所長、上海交通大学トランスレーショナルメディシン研究所幹細胞・再生医療翻訳拠点所長を務めている。

彼は、中国整形外科協会会長、アジア太平洋人工関節学会会長、世界多分野生体材料学会副会長、世界内部固定（AO）財団理事を務めてきました。彼はアメリカ整形外科学会の通信会員、国際股関節学会の正会員に連続して選出されました。戴克栄院士は、医学、工学、生物学、材料科学の学際的な連携を通じて新しい整形外科用インプラントや新技術を開発し、3Dプリント、人工関節、骨再生の医療応用などの基礎研究と臨床技術を積極的に推進しています。

出典: New Materials Online

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