3Dプリントのブレークスルー：角膜付きカスタムレンズ

将来、角膜の「変形」を患う患者は、3Dプリントされたカスタマイズされた眼鏡をかけるようになるかもしれない。Antarctic Bearによると、北京同仁病院検眼センターの副所長である宋紅鑫博士は、3Dプリント技術を使用してカスタマイズされた「フリーフォーム」レンズを作ろうとしているという。通常のレンズの表面は滑らかな凸面です。「自由曲面」とは、この規則的な滑らかな表面を破り、不規則な鏡面形状を呈することです。各人の角膜の形状に応じて、光を正確に屈折させ、視力を矯正することができます。 3D プリントされたレンズは角膜の形状に正確に一致し、「テーラーメイド」効果を実現します。

このインスピレーションは、NASA の適応光学システムから生まれました。星が「瞬き」するのはよくある光学現象です。絶えず変化する大気の乱れにより、星からの光は大気圏を通過する際に影響を受け、時々現れたり消えたりして、天文観測に影響を与えます。 NASA は、この「ノイズ」を平滑化するために、天体望遠鏡に適応光学システムを採用しています。これは、自由に移動できる複数の小さなレンズで構成された大型の可変形ミラーです。可変形ミラーは、システムから送信された収差信号を受信すると、自動的にミラー表面を調整して収差を補正し、星が「瞬き」するのを防ぎます。

3D プリントされたメガネは、小型化された「変形可能なミラー」に相当します。設計は各患者の角膜の形状に基づいており、プリンターは「マップ」に従って液体を吹き付けることで、個々の角膜の形状に完全に一致するレンズを層ごとに印刷します。現在、宋宏鑫博士は自由曲面レンズの高精度製造を初めて実現しました。

従来のレンズでは不規則な角膜を救うことはできません<br /> この特別なメガネは、特定のグループの人々の視力障害を解決することを目的としています。円錐角膜は、高度に不規則な近視乱視とさまざまな視力障害を特徴とする、原発性角膜変性疾患です。人口におけるこの疾患の発症率は 1:2000 です。この疾患は一般に思春期に発症し、原因はまだ明らかになっていません。この病気によって起こる重度の高次収差により、普通の眼鏡は効かなくなります。角膜外傷、角膜炎、角膜移植などの患者は高次収差を発症する可能性があります。このグループの人数は100万人近くです。

「正常な角膜の表面は滑らかで凸凹していますが、彼らの角膜はでこぼこしていて、不規則な窪みがたくさんあります。」同仁病院で、宋洪馨は紙に重度の高次収差のある角膜の形を描きました。それは、もともと滑らかな温泉卵の片側に滑らかな小さな鋸歯がくり抜かれたような、中央に波線がある弧状の曲線でした。
通常の視覚条件下では、外部光は角膜を通過して人間の網膜上に像を形成し、正確な画像信号を形成します。一般的な近視の人の場合、水晶体の変形により光が網膜の前で焦点を合わせるため、鮮明な視力を維持するために像点を後方に調整する眼鏡が必要になります。重度の高次収差が発生すると、光は陥凹した角膜を通過する際にさまざまな角度から屈折し、水晶体内に無秩序な光の軌跡を形成します。たとえレンズを装着しても、眼球内の無秩序さは改善されません。これが、普通の眼鏡では彼の視力を救うことができない理由です。

3Dプリントされた自由形状のメガネが実現すれば、レンズを角膜と「同期」させることができ、光をさまざまな方向に屈折させて、眼球内で整然とした形で画像化できるようになります。宋鴻馨氏は、伝統的な鏡製造技術ではこれを実現できないかもしれないが、個人化された需要を前に市場化は非現実的になると述べた。患者ごとに角膜の形状が異なり、レンズの曲率も異なるため、各レンズを別々のモデルと別々の組み立てラインで製造する必要があり、製品は非常に高価になります。 3Dプリントの利点は、追加コストをかけずに精密な生産を実現できることです。

3Dプリントは多くの医療分野で活用されている
3D プリントの利点は、医療分野において幅広い可能性を秘めていると考えられています。わが国の医療機関は、早くも9年前にこの分野に参入しようと試みました。 2009年10月、北京大学第三病院整形外科の2人の専門家が海外での学術交流中に3Dプリンター機器を見て、この印刷材料が人工関節に常に存在していた問題を解決できるかもしれないと気づきました。

整形外科の専門家の一人である蔡紅氏は、人間の骨の構造には多くの天然の孔があると説明した。金属表面がこれらの小さくて完全につながった孔を模倣できれば、人間の骨は孔の中に成長し、インプラントをより強くすることができる。しかし、従来の人工関節は鋳型鋳造で製造されており、金属表面に精密な微細孔コーティング層を形成することは困難でした。一方、3Dプリンティングはコンピューターモデリングであり、粉末冶金法によって製造されるため、精密な気孔構造を持つ人工関節をより柔軟に設計・製造することができます。

その年から、北京大学第三病院は脊椎手術用の3Dプリントインプラントの研究を開始した。 2015 年 7 月、同研究所初の 3D プリント人体インプラントが CFDA の登録を承認され、3D プリント股関節の大量生産の時代が到来しました。翌年、3Dプリントされた椎体プロテーゼと椎間固定装置がCFDAに登録承認され、私の国は3Dプリント整形外科手術の分野で国際的なリーダーとなりました。

これは、3D プリントが医療分野でどのように使用されているかを示す一例にすぎません。昨年9月、北京大学口腔科学院が主導する重点プロジェクトである3Dプリント歯科インプラントが動物実験を完了し、臨床試験段階に入った。この技術が広く普及すれば、骨とインプラントの隙間を埋めるために骨材料を使用する手順がなくなり、手術の難易度が下がり、より多くの患者が恩恵を受けることができるようになります。

海外では、研究者らが、子どもの成長に合わせて自動的に調整できる3Dプリント心臓ステントを開発しており、成長に合わせてインプラントを交換する二次手術の必要性を回避している。人工心臓など人間の臓器を3Dプリントする研究も注目を集めている。

技術的な問題と成果の変換の問題を解決する必要がある<br /> 見通しは明るいが、道のりは険しい。臨床現場での 3D プリントの導入には、依然として多くの技術的な課題が残っています。硬い骨から柔らかく複雑な人間の内臓まで、3Dプリントがさらなる治療の進歩をもたらすことが期待されています。しかし、既存の3Dプリント心臓は高価で、30分しか鼓動できません。3Dプリントされた靭帯、腱、軟骨組織などはまだ外観の段階にあり、機能性を実現することはできません。

光学分野では、3D プリンティングは未開拓の領域に直面しています。「3Dプリントの核心要素の一つは材料であり、我々はまだ適切な光学材料を探しているところです」と宋宏馨氏は紹介し、まずは自由曲面レンズの高精度製造を実現し、加工コストは従来の方法に比べて10倍以上も低いことを明らかにした。しかし、経験不足のため、材料に関しては克服すべき難点がまだあります。現在使用している感光性材料は硬化中に変形し、屈折効果に影響を与えます。

さらに、成果の変革の過程では、法律やマーケティングなどの専門分野からより多くのサポートを受けられることを期待しています。近年、科学技術成果の変革がますます注目されています。 2016年4月、国務院は「科学技術成果の移転と転化の促進に関する行動計画」を公布し、同年9月には旧国家衛生・計画生育委員会が「保健医療と健康科学技術成果の移転と転化の強化に関する指導意見」を公布し、科学技術成果の移転と転化は保健医療と健康科学技術のイノベーションの重要な一環であり、「健康な中国」建設の推進に大きな意義があると提言した。

宋洪馨氏は、将来、我が国でも関連成果転換メカニズムを確立し、金融、法律などの分野の専門家が参加できるようにすることで、医療イノベーションの成果の転換効率を高め、産業化リスクを軽減できることを期待している。

出典：北京ニュース

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