バイオメディカル分野における3Dプリントの歩み

初期の 3D 印刷技術はラピッドプロトタイピング技術でした。今日では、プラスチックのプロトタイプに加えて、複雑なエンジン部品、家屋、食品、さらには人間の臓器までも 3D 印刷できます。医療分野は 3D プリントの主要市場の 1 つであり、カスタマイズされた義歯、補聴器シェル、外科用および医療用モデル、整形外科用および人工部品、人工股関節および人工膝関節インプラントなど、幅広い用途があります。

3D プリントされた医療用金型と構造<br /> 体の部位の「型」やモデルを作成することは、3D 印刷技術のユニークな使用法です。身体部位モデルを使用すると、医師は複雑な医療手術や処置を準備、計画、最適化する際に、患者の身体の器官を視覚化できます。

さらなる技術開発は 3D バイオプリンティング技術であり、これは生きた細胞層をゲル媒体上に堆積させて 3D 生物学的機能構造を生成するものです。最終的な目標は、3D プリンティング技術を組織工学 (TE) に適用して臓器や体の構造を製造することです。

3D プリントのデータ処理フローでは、内臓の医療画像データを取得した後、そのデータに基づいてセグメント化されたデータシステムをさらに確立し、DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) ファイルをステレオリソグラフィーまたは標準テッセレーション言語 (STL) 形式、または 3D プリント用の他のファイル形式に変換する必要があります。ついにコンピュータ支援印刷が登場。画像出典: Yoo SJ、Thabit O、Kim EK、他「先天性心疾患の治療における3Dプリンティング[J]」。3D Printing in Medicine、2015、2(1): 3。
マルチスライススパイラルCT（MD-CT）や磁気共鳴画像（MRI）などの画像技術の発達により、放射線診断の放射能はますます小さくなりながら、より多くの情報が得られるようになり、また、高解像度の3D画像データを短時間で得ることができるようになりました。画像処理は、人間の臓器や構造を高い忠実度で表現する上でますます重要な役割を果たしており、特に 3D プリントでは基本的な役割を果たしています。

組織をシミュレートする 3D プリント医療用鋳型<br /> 最近のコンピュータ支援設計 (CAD)、医療用画像処理、3D 印刷技術の進歩により、個々の CT または MRI の所見に基づいて計算モデルを再構築することで、シミュレートされた組織の患者固有の医療モデルを迅速かつコスト効率よく生成する方法が提供されました。

Biglino らは、Stratasys (米国ミネソタ州エデンプレーリー) の PolyJetTM 技術を使用して柔軟な動脈モデルを製造しました。付加製造技術である PolyJetTM 技術は、オリフィス噴射を使用して液体フォトポリマーを層ごとに堆積し、その後紫外線 (UV) 照射によって硬化させます。この研究では、TangoPlus と呼ばれるゴムのような材料が使用されました。その機械的特性は実際の組織のそれに近いためです。

このようなモデルは、医師に触覚的なフィードバックを与え、型の上で直接操作することができ、医師が患者の解剖学的構造や根本的な病理を包括的に理解するのに役立ちます。多くの場合、手術のプロセスを補助し、スピードアップし、医療処置のサイクルを短縮することができます。

手術モデルまたはトレーニングモデル a: グラフィック設計されたプラットフォームに取り付けられた心臓を示します。 b: 外科トレーニングのための 4 つのパラダイムモデル。 c: 外科医がノーウッド手術を行う、左心低形成の 3D プリントモデル。画像出典: Yoo SJ、Thabit O、Kim EK、他「先天性心疾患の治療における3Dプリンティング[J]」。3D Printing in Medicine、2015、2(1): 3。

放射線関連医療用金型
3D プリント技術は、さまざまな減衰領域を持つ放射線学的にリアルなモデルを製造するために使用されています。研究者らは多層印刷技術を使用して、現実的な病理、解剖学的構造、異質性を備えた肝臓と脳のモデルを構築した。患者の肝臓と頭部の CT 画像を、組織、血管、肝臓病変、白質と灰白質、脳脊髄液に分割します。スキャンデータによれば、これらの物質にはさまざまな印刷材料がマッピングされています。

印刷された肝臓の型は、患者の肝臓と似た質感を持っています。脳モデルの CT 画像は、患者の実際の脳の CT 画像と非常によく似ています。これらのファントムは、実際の組織と同様の不均一性と現実的な病理を備えており、画質評価や放射線検査などに使用できます。

生理学的および医学的カビ<br /> 患者固有の組織模倣特性を持つ医療用型には、個別の情報が含まれており、生物医学的応用や臨床分野で大きな可能性を秘めています。3D 印刷技術は、このようなモデルを製造するための効果的な方法であることが証明されています。

大動脈根部の CT 画像、3D 計算モデル、3D プリントされた生理学的ファントムの例。(a)、(b)、(c) はそれぞれ上行大動脈と弁の CT 断面と縦断ビューを示しています。(d)、(e)、(f) はそれぞれ上行大動脈、左室流出路 (LVOT)、側面から見た 3D 計算モデルを表し、大動脈壁と弁葉は半透明で、石灰化は赤で、埋め込まれた繊維は緑で示されています。(g)、(h)、(i) は 3D プリントされた生理学的ファントムを示しています。わかりやすいように、石灰化と繊維は黒い素材で印刷されています。
しかし、既存の 3D 印刷技術では、人間の臓器組織を模倣する上でまだ欠点があります。心臓弁など、多くの人間の臓器構造は、方向性のある組織構造のため異方性の機械的特性を持っていますが、従来の 3D 印刷金型は異方性の機械的特性を持っていません。

その結果、3D プリントされた医療用鋳型のほとんどは、患者固有の組織を模倣する機能を備えたものであっても、人間の臓器の構造を生理学的にではなく、解剖学的に近似しているだけです。

再生組織および臓器の付加製造<br /> 組織および臓器の移植の需要の増加と組織および臓器の提供者の不足により、TE の分野では実際の人間の組織および臓器の生物学的代替物を開発するための多くの取り組みが行われてきました。 TE は、多孔性と相互接続性が高い生分解性の足場を使用して、細胞の成長と再編成のための形状、機械的サポート、微細構造を提供し、修復プロセスを改善および加速します。この点で、TE ステントの設計は治療の成功率において重要な役割を果たします。

しかし、細胞の成長と分化を促進するために酸素、栄養素、可溶性生体分子を操作するために、足場の多孔性と内部微細構造を正確に制御することは依然として困難です。さらに、さまざまな種類の TE スキャフォールド細胞の成長を制御して複雑な構造を持つ機能グループを形成することは、依然として難しい工学上の課題です。

バイオプリンティングにおいて最も重要かつ確立された 3 つの技術は、レーザー誘起前方転写 (LIFT)、インクジェットバイオプリンティング、およびロボットスプレーです。レーザー誘起前方転写 (LIFT) は、受容基板上に細胞を堆積させることができる技術です。

通常、レーザーパルスビームは、ソースインク（ハイドロゲルと細胞）を含むドナースライドまたはリボンに適用され、インクが蒸発して高圧の泡がドナースライドの下にある受容基板に向かって噴出されます。ドナースライドまたは基板の動きを制御することにより、堆積された 2D パターンは層ごとに融合して 3D 構造を形成できます。

インクジェット印刷は、複数の細胞タイプの異種構造の構築にも使用できます。研究者たちは、サーマルインクジェットプリンターを使用して、幹細胞、平滑筋細胞、内皮細胞で構成されたパイ型の 3D 構造を作成しました。

一般的なインクジェット印刷法では、通常、固体基板にインクを噴射して 3D 構造物を作成しますが、これとは対照的に、細胞を塩化カルシウム (CaCl2) と組み合わせてバイオインクを形成し、そのインクをアルギン酸コラーゲン溶液に噴射します。

インク滴の影響を受けたポリマー溶液表面の部分は、Ca2+-アルギン酸複合体の「卵箱」キレート構造の形成により瞬時に固化しました。試験管内実験の結果、印刷された細胞は 3D 構造内で生存し、増殖し、細胞機能を維持できることが示されました。

バイオプリンティング用のロボットスプレーは、空気圧または機械的な作動によりバイオポリマーまたは合成バイオポリマーを層ごとに分配することで、ミリメートル規模の 3D 構造物の製造を可能にします。複数の細胞タイプ（スフェロイドやオルガノイドなど）で構成されたミニチュア組織は、印刷の構成要素として機能します。

積層造形における最近の進歩により、いくつかの新しい TE パスが可能になりました。特に、新しい積層造形技術が利用可能になったことで、次の 3 つのアプローチが急速に発展しています。
スキャフォールド特性の調整可能性を実現するためのハイブリッドスキャフォールド材料の開発。
ステント変換性を実現するための特殊な微細構造設計。
組み込みプロセス監視機能用のセンサーを統合します。

出典: 志玲

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