事例1 医療業界における高精度セラミック3Dプリントのさまざまな応用

3D プリント技術で製造されたセラミック製品は、医療技術分野で大きな可能性を秘めており、特に多くの用途でそれが顕著です。この記事では、オーストリアの Lithoz 社の高精度セラミック 3D プリント技術の医療分野への応用に焦点を当てています。

長年にわたり、生体適合性および生分解性セラミックスは、外傷治療や整形外科などの医療分野で広く使用されてきました。高性能セラミック材料の代表であるジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素は、優れた機械的特性、耐摩耗性、低い熱伝導率と電気伝導性、優れた生体適合性により、永久インプラントやその他の医療機器の製造に広く使用されています。医療分野では、特に高い機械的特性を持つ高性能セラミックだけでなく、他の特性を持つ生分解性セラミックも求められています。

リン酸三カルシウムとハイドロキシアパタイトは生分解性セラミックスの一種で、骨の無機成分に似ていることから生分解性インプラントの製造に使用されます。治癒過程で物質を分解することで、細胞に必要なイオンを供給できると同時に、細胞が内側に成長するためのスペースを作り出します。理想的には、人工骨は再生組織の成長と同じ速さで分解し、治癒過程全体を通じて一定レベルの機械的安定性を確保します。

オーストリアの Lithoz 社のステレオリソグラフィー法 (3D プリント) に基づく製造プロセスは、非常に複雑な部品を製造するための非常に効果的な方法です。現在、特に医療機器製造の分野でますます注目を集めています。「光硬化型高精度セラミック3Dプリント（LCM）」プロセスにより、さまざまなセラミック（酸化ジルコニウムやハイドロキシアパタイト（HA）など）をほぼあらゆる形状にすることができ、外部（構造形状）と内部形状（気孔設計）を実現できます。

LCM プロセスは、感光性セラミックスラリーを選択的に固化させることにより、グリーン体中の高固形分 (セラミック粒子の高充填密度) を実現します。これは、高密度で欠陥のないセラミック部品を得るための前提条件です。印刷プロセスは、層ごとの印刷の原理に従います。印刷する製品の3Dモデルは、lihtozソフトウェアで自動的に25μmの厚さの層にスライスされ、選択的な露光により有機マトリックスが架橋され、ポリマーとセラミック粒子の複合体が形成されます。ポリマーはセラミック粒子間の結合剤として機能し、セラミック粒子に形状を与えます。熱後処理では、まず有機マトリックスを残留物なしで高温で除去し、1000°C を超える温度で焼結して最終的なセラミック部品を生成します。

図 1: Lithoz の LCM プロセスの概略図。スラリーは印刷プロセスを経てインプラント（セラミックポリマー複合材）に加工され、洗浄、脱脂、焼結されて最終製品が得られます。
LCM プロセスは医療機器の製造に使用されます。個々の患者の生理学的構造に基づいて、比較的簡単かつ便利にパーソナライズされたインプラントを製造できます。これらのインプラントは局所構造に完全に適合し、インプラントの位置がより正確になります。画像技術（CT、MRIなど）と組み合わせることで、患者のニーズに高度に適合したパーソナライズされたインプラントを迅速に製造できます。射出成形とはまったく対照的に、この技術は金型を必要とせず、部品のカスタマイズや大量生産を経済的かつ便利に実現できます。

パーソナライズされたインプラントの作成を可能にするだけでなく、細胞の成長を促進したり、活性化したりするように構造を設計することもできます。これには、それぞれのセルに合わせて調整された定義された形状と細孔サイズを持つ相互接続システムが必要です。 LCM プロセスは、最小 120μm の薄壁構造と 160μm の細孔構造を実現できます。印刷プロセスには、高精度と再現性の利点があります。

図2: LCM印刷プロセスの概略図: CADモデル(左) - スライス - 選択的露光と層ごとの硬化アプリケーション例:
1. ペースメーカーポンプ ウィーン工科大学とウィーン医科大学の研究者は、Lithoz の LCM プロセスで製造されるセラミック部品の精度と機械的強度の高さから、ペースメーカーポンプの製造方法として LCM プロセスを選択しました。このプロジェクトは、ヘリウム発電所を使用した機械式心臓ポンプの設計と製造に特化しています。このポンプは、心臓手術後の患者のための一時的な心臓補助ポンプとして設計されており、大動脈内バルーンポンプと組み合わせて、冠状血管への血液供給を最適化し、重要な治癒段階における心臓へのストレスを軽減します。優れた生体適合性、生物学的不活性、および高い表面仕上げのため、このプロジェクトではペースメーカーポンプの製造材料としてアルミナが選択されました。 Lithoz の LCM 印刷プロセスにより、設計モデルを非常に短時間で簡単に作成、テスト、最適化できます。

図 3: 高純度酸化アルミニウムで作られたペースメーカーポンプの部品 (これらの部品は見やすくするために 10 倍以上に拡大されています)
2. 患者固有の骨修復 ケプラー大学リンツ病院のプロジェクトは、lithoz の LCM プロセスを使用して、患者固有の骨欠損修復部品を製造することです。骨欠損修復ピースは、骨折した骨の外科的修復において、骨折した端を固定し、骨折した骨を安定させるために使用されます。従来の製品は金属で作られており、手術室で外科医が適切に曲げたり調整したりする必要があります。しかし、CTと他の手段を組み合わせることで、患者のニーズを完全に満たす骨修復部品のサイズを得ることができます。LithozのLCMテクノロジーにより、患者の骨修復領域に非常に適したパーソナライズされた骨修復部品を、高精度かつ高品質で迅速に製造できます。同時に、従来使用されていた材料（チタン合金など）と比較して、耐摩耗性が高く、最も弾性が高い酸化ジルコニウムを使用することで、使用中に金属修復物が摩耗して粒子が発生するという問題も発生しません。

図4: さまざまなセラミック材料から作られた医療機器
3. 骨置換用の分解性インプラント<br /> 重度の外傷や腫瘍の切除後の骨の置換は、現在の医学において依然として大きな課題となっています。一方では、骨の安定性と保護機能をできるだけ早く回復する必要があり、他方では、体自身の骨細胞の良好な治癒を達成する必要があります。この目的のために、リン酸三カルシウムなどの生分解性セラミックは、重度の頭部外傷後の頭蓋骨インプラントや骨構造の足場など、患者に合わせたインプラントの製造に使用されます。これは、オーストリア組織再生研究所、ルートヴィヒ・ボルツマン実験研究所、臨床外傷学/AUVA の共同研究プロジェクトです。

図 5: 歯科インプラント埋入前の顎骨増強用のリン酸三カルシウム製インプラント図 6: 骨欠損の治療用のリン酸三カルシウム頭蓋インプラント著者: ダニエル・ボンゼ博士 - リソス、オーストリア
ハインツ・レドル教授（ウィーン、ルートヴィヒ・ボルツマン実験・臨床外傷学研究所）

出典: Lithoz

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