カスタマイズされた生産を可能にすることに加えて、3D プリント技術はインプラント製造にどのような利点をもたらすのでしょうか?

金属 3D プリントインプラントは 10 年以上医療に使用されており、現在では Arcam の電子ビーム溶解装置だけで 10 万個の 3D プリント寛骨臼カップインプラントが製造されています。寛骨臼カップは3Dプリントインプラントの一種に過ぎません。2016年以来、ストライカー、ジンマー、ジョンソン・エンド・ジョンソンなどの有名な整形外科用医療機器メーカーが相次いで3Dプリントインプラント登録証を取得し、3Dプリント製品を正式に市場に投入しただけでなく、3Dプリント技術を使用して脊椎固定装置やニッチ分野の他のインプラントを製造する多くの小規模整形外科用医療機器メーカーも相次いでFDA製品登録証を取得しています。医療市場での販売が許可されているこれらの 3D プリント製品には、寛骨臼カップ、膝インプラント、脊椎固定ケージ、足首固定ケージなど、さまざまなカテゴリが含まれます。

3D プリントインプラントが多くの整形外科用医療機器メーカーの注目を集めているのはなぜでしょうか? 3Dプリンティング技術の価値は、インプラントのカスタマイズ生産を柔軟に実現できる点だけにあるのでしょうか？今号では、3D Science Valley が英国リバプール大学のクリス・サトクリフ教授と協力し、金属 3D プリントインプラントの特性、製造プロセス、技術開発の見通しなどについて一緒に考えます。

3次元多孔質構造が骨の結合を促進
サトクリフ教授は、整形外科用インプラントの積層造形において20年の経験を持っています。また、金属積層造形会社レニショーの研究開発ディレクターも務めており、整形外科用機器大手のストライカー社ともインプラント研究で協力してきました。

サトクリフ教授は、3Dプリントインプラントについて言えば、人々は通常、パーソナライズされたインプラントの製造におけるこの技術の価値をすぐに思い浮かべる、と述べた。下顎の再建など、重度の骨損傷の特定のケースを治療する場合、3Dプリント技術を使用してカスタマイズされたインプラントを製造することは確かに良い解決策だが、これはすべての整形外科インプラント治療にパーソナライズされたインプラントの使用が必要であることを意味するわけではない。

見落とされがちなのは、3D プリント技術による標準的なインプラントの大量生産は実際にはより大きな市場であるが、各インプラントは依然としてさまざまなサイズで生産可能であり、医師は患者に最も適したサイズを選択してインプラントできるということです。それはお店で売られている靴のようなものです。メーカーは通常、靴ごとに異なるサイズを作っており、人々は購入時に最も適したサイズを選択するだけで済みます。

従来のインプラント製造技術と比較すると、3D プリント技術はコストと効率の面で優位性がありません。では、なぜサトクリフ教授は標準化されたインプラント製造の方が市場が大きいと考えているのでしょうか? 3D プリント技術には他にどのような独自の利点がありますか?

3D プリントされたインプラントの表面には、人間の骨の構造に非常によく似た 3 次元の細孔が多数あります。これらのバイオニック構造は、3D プリント装置によって全体的に製造され、インプラントの寿命に関係しています。

サトクリフ教授は、3Dプリントインプラントの多孔質表面の弾性率は従来のインプラントよりも低いため、金属インプラント材料と骨の剛性差が低減し、インプラントが骨によく「フィット」し、効果的な骨の統合が実現できると述べた。

サトクリフ教授は、骨よりも硬い材料を人体に移植すると、硬いインプラント材料はより大きなストレスに耐え、骨はより小さなストレスに耐えることになると述べた。この現象により、人体の骨組織の体積と密度が徐々に減少し、インプラントが破損したり緩んだりすることになる。最初の緩みは摩耗につながり、さらに緩みが進み、最終的にはインプラントの故障につながります。

骨は生きた物質であると理解されています。ウルフの法則によれば、人間の骨格は受けた負荷に応じて変形します。負荷が軽減されると、骨は徐々に骨量が減少し、または骨吸収が起こり、骨折、脱臼、緩みを引き起こす可能性があります。

サトクリフ教授が言及した現象は、応力遮蔽です。応力遮蔽とは、異なる弾性係数を持つ 2 つの材料を一緒に使用した場合、弾性係数の大きい材料がより大きな応力に耐えることを意味します。一般的なインプラント製造材料であるチタン合金を例に挙げると、この材料を体内に移植すると、チタン合金の弾性係数は人体の骨の弾性係数よりもはるかに大きいため、チタン合金はより多くの応力を受け、新しい骨の成長に悪影響を及ぼします。

金属インプラントの付加製造プロセス<br /> 金属インプラント製造の主なプロセスは、インプラント CAD 設計モデル - 印刷準備 - 印刷装置へのデータ入力、そして印刷プロセスに入るというものです。このプロセスでは、品質のリアルタイム監視が特に重要です。

レニショーの工程内品質管理技術は、品質管理ソフトウェア (最新の InfiniAM Spectral ソフトウェアなど) を通じて広範な溶融プールデータを収集し、追跡可能な生産とプロセスの最適化を可能にします。

サトクリフ教授は、レニショーは毎日約1TBのデータを収集しており、それが将来の生産に役立つかどうかを分析するために使用できると述べた。

課題と機会<br /> 現在、積層造形技術を用いたインプラントの製造コストは依然として従来の技術よりも高く、製造速度の向上も必要です。また、積層造形専用のインプラント製品を設計することも困難です。しかし、製造業の企業が積層造形技術を用いて生産に適した製品を開発すれば、急速に発展するでしょう。

現在、インプラント手術を受ける患者の平均年齢は70歳であり、インプラント置換治療を受ける患者の多くは高齢患者であることを意味します。これは、市販されている一般的なインプラントの寿命が約 15 年であり、故障した場合は交換する必要があるためです。通常、患者は何年もの痛みに耐えた後にインプラント手術を受けます。

理論上、積層造形用に設計されたインプラントは寿命が長く、骨や関節の置換を必要とする患者がより若い年齢で手術を受けることができるようになります。サトクリフ教授は、積層造形インプラントは長い間臨床治療に使用されていないが、少なくとも初期のデータでは3Dプリントインプラントは従来のインプラントと同等の性能を発揮することが示されており、将来的には3Dプリントインプラントの性能がさらに向上すると考えている、と述べた。

出典: 3Dサイエンスバレー

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