医療分野における3Dプリントの応用の分析

3D プリンティングは、積層造形 (AM) とも呼ばれ、3D プリンティング装置を使用して、設計された 3D モデルに基づいて材料を層ごとに追加し、3 次元製品を製造する技術です。従来の製造技術と比較すると、3Dプリントは事前に金型を製造する必要がなく、製造プロセス中に大量の材料を除去する必要がなく、最終製品を得るために複雑な鍛造プロセスを必要としないため、生産において構造の最適化、材料の節約、エネルギーの節約を実現できます。 3Dプリント技術のこれらの利点により、新製品の開発、単品および小ロット部品の迅速な製造、複雑な形状の部品の製造、金型の設計と製造などに適しています。また、加工が難しい材料の製造、外観設計検査、組み立て検査、迅速なリバースエンジニアリングにも適しています。そのため、3Dプリント業界は国内外でますます注目を集めており、幅広い発展の見通しを持つ新興産業になりつつあります。

医療業界は常に 3D プリント技術の主流の応用分野となっています。 3D プリント技術は、柔軟性が高く、数量に制限がなく、コストを節約できるという特徴があり、医療分野における個別化された精密な医療のニーズに非常によく応えることができます。 2012年には、医療用3Dプリンティングが3Dプリンティング市場全体のシェアの16.4%を占めたと報告されています。統計によると、2012年の世界3Dプリンティング医療アプリケーション市場は3億5,450万米ドルで、2013年から2019年にかけて年平均成長率15.4%で成長し、2019年には9億6,550万米ドルに達すると予想されています。

1. 医療分野における3Dプリントの利点1. カスタマイズ
医療分野における3Dプリントの最大の利点は、カスタマイズされた製品や機器を簡単に製造できることです。たとえば、3D プリントは人体の義肢やインプラントをカスタマイズするために使用でき、患者と医師に大きな利便性をもたらします。さらに、3D プリントにより手術用クランプや固定具などをカスタマイズできるため、手術時間が大幅に短縮され、手術の成功率が向上し、患者の術後回復時間も短縮されます。将来的には、3D プリント技術は患者に対する薬剤の種類や投与量を選択するためにも使用されるようになるでしょう。

2. コスト効率の向上
医療分野における 3D プリントのもう一つの利点は、コストを削減できることです。 3D プリントは、小ロット生産のコスト管理において明らかな利点があります。従来の生産プロセスでは、大規模生産条件下でのみコストを削減できます。脊椎、歯、頭蓋骨の修復など、小型の人体インプラントの場合、3Dプリントのコストは非常に低く、小ロットの製品試作やモデル検証の促進に役立ちます。

3. 生産効率の向上
3D プリントではわずか数時間で製品を生産できます。例えば、義肢や人体インプラントの分野では、従来の加工ではボールミル加工や鍛造が必要となり、納期も長くかかりますが、3Dプリントではモデルをプリンターに入力するだけで、数時間以内に製品を製造して納品できるため、義肢やインプラントの従来の加工方法よりも効率的です。 3D プリンティングは、速度だけでなく、寸法精度、再現性、信頼性などの品質面でも向上しています。

4. 自由化
3Dプリントのもう一つの利点は、誰でもこのプロセスを通じて製品を設計し製造できることです[2]。現在、3Dプリントには徐々に多くの材料が使用されるようになり、これらの消耗品のコストも徐々に下がっているため、より多くの人が自分のアイデアに従って新しいものを設計し、印刷できるようになりました。

3D プリントは設計の共有を容易に実現できます。研究者は、公開データベースからパラメータとデータモデルファイルを stl 形式で簡単に取得できるため、雑誌やジャーナルからファイルをダウンロードして記述されたモデルパラメータを再現するという従来の方法を廃止できます。このモデルを 3D プリントすることで、医療機器や装置の完璧なレプリカを作成できます。この目的のため、国立衛生研究所は2014年に、医学、解剖学、細菌、ウイルスの分野における3Dモデルファイルのデータ共有を促進するために3Dプリンティング部門を設立しました。

2. 医療分野における3Dプリントの応用
3D プリントは 2000 年から医療分野で使用されており、最初は歯、人間のインプラント、カスタマイズされた修復プロセスに使用されました。それ以来、医療アプリケーションは大きく変化しました。最近発表された研究によると、3D プリントは骨、耳、気管、顎、ガラス、細胞、血管、組織、さらには薬剤や送達装置など、人体のさまざまな臓器や組織を製造できるそうです。現在、3D プリントの医療用途は、主に臓器や組織の生産、人工器官、インプラント、解剖モデルの作成、薬剤の発見、投与、投与形態の研究に分けられます。これらの医療用途のそれぞれについては以下で説明します。

1. 生体組織および臓器の印刷<br /> 老化、病気、事故、先天性欠損による臓器の損傷や臓器不全は深刻な医学的問題です。現在の臓器不全の治療は、主に、生きているか死んでいるかを問わず他人から提供される臓器移植に依存しています。しかし、生体臓器提供は不足している。 2009年、米国では154,324人の患者が生体臓器を待っていたが、そのうち臓器移植を受けることができたのはわずか18%で、待機中に毎日25人の患者が亡くなっていた。 2014 年初頭の時点で、米国では約 12 万人が臓器移植を待っています。臓器移植とそれに続く手術には多額の費用がかかります。また、臓器移植には患者の臓器組織に適合するドナーを見つける必要があり、これが非常に難しいという問題もあります。現在、この問題は、臓器移植患者自身の体から細胞を採取し、細胞培養技術を使用して代替臓器を作成することで解決でき、これにより、組織拒絶のリスクと、生涯にわたる免疫抑制剤の服用の必要性によって引き起こされる痛みが軽減されます。

生物組織工学と再生医療に基づく治療は、臓器提供者の不足に対する有望な解決策であると考えられています。従来の生物組織工学は、組織サンプルから幹細胞を分離し、成長因子と混合し、実験室で増殖させ、これらの細胞を細胞増殖プラットフォームに接種して、最終的に機能組織に分化させることです。まだ初期段階ではありますが、細胞の高精度な配置、速度制御、細胞濃度、印刷された細胞サイズの制御など、細胞増殖スキャフォールドの点で従来の再生方法よりも明らかな利点があります。

セル 3D プリンティングは、3D プリンティング技術によって生体材料を使用して層ごとに 3 次元組織構造を作成し、細胞と生物組織を直接成形するものです。足場を構築するために使用される材料は多数あり、材料の選択は生物学的構造に必要な強度、多孔性、組織の種類によって異なります。一般的に、ハイドロゾルは軟組織を生産するための最良の材料と考えられています。

生物学的 3D 印刷システムは主にレーザー、インクジェット、押し出し成形に基づいており、その中でインクジェット印刷技術が最も一般的です。この方法では、デジタルモデルの軌跡に沿って生きた細胞または生体材料の液滴を基板上に堆積させ、人間の組織または臓器を複製します。デバイスシステム内の複数のプリントヘッドを使用して、さまざまな種類の細胞 (血管、筋肉) を保存し、生物組織や臓器の全体的な形成のニーズを満たすことができます。

生物学的臓器3Dプリントのプロセスには、①血管と組織の3次元デジタルモデルの作成、②プリント戦略の確立、③幹細胞の分離、④幹細胞を特定の臓器の細胞に分化させること、⑤特定の臓器細胞、血管細胞、キャリアマトリックスを含むバイオインクを準備し、それをプリンターに配置すること、⑥生物学的3Dプリントを実行すること、⑦プリントされた臓器をバイオリアクターに配置することが含まれます。レーザー印刷は細胞印刷プロセスにも応用されており、レーザーエネルギーは細胞を活性化し、細胞外環境を制御するためによく使用されます。生物臓器の 3D プリント技術はまだ初期段階ですが、多くの研究でこの技術の実現可能性が実証されています。研究者たちは3Dプリンターを使って、膝の半月板、心臓弁、脊椎の椎間板、その他の種類の軟骨、人工耳などを作成してきました。 Cui らは、インクジェット 3D 印刷技術を使用して人間の関節軟骨を修復しました。 Wangらは3Dプリント技術を使用して、さまざまな生体適合性ハイドロゾルに細胞を印刷し、人工肝臓を再構築しました。ミシガン大学の医師らがニューイングランド医学ジャーナルに症例を発表しました。CTスキャンを使用して患者の気管支を正確にモデル化し、3Dプリント技術を使用して気管副木を印刷し、気管支軟化症の乳児の気管に移植することに成功しました。副木は3年以内に乳児の体に完全に吸収されると予想されています。

海外では多くのバイオテクノロジー企業が生物組織や臓器の再生技術を研究しています。オルガノボの研究者たちはこの技術を使って肝臓組織を印刷しており、これらの材料が新薬のスクリーニングに役立つことを期待している。

2. 手術用解剖モデル
3D プリント技術は、手術中に人体の個々の違いや複雑さに対処するための理想的なソリューションです。 3Dプリント技術は、患者の解剖モデルを再構築して医師が研究したり、模擬手術を行ったりするのに使用でき、患者の状態に対する理解と手術の成功率が向上します。MRIやCTスキャンの2次元画像を観察するだけでは、より包括的な理解を得ることは困難です。外科手術のトレーニングには、死体を使ったトレーニングよりも 3D プリントモデルを使用するのが望ましいです。さらに、死体には適切な病理が欠けていることが多いため、3D プリントは外科手術を受けた患者よりも多くの解剖学的な教訓を提供します。

3D プリントされた神経解剖モデルは、図 1 に示すように、人体の複雑な神経ネットワークシステムをより明確に表示できるため、脳神経外科医の研究に役立ちます。脳神経、血管、脳構造、頭蓋骨構造は複雑に絡み合っているため、2D画像のみでより包括的な理解を得ることは困難です。理解に少しでもずれがあると、その後の解剖プロセスに影響を及ぼす可能性があります。リアルな 3D モデルは、病変と正常な脳構造の関係を完全に反映できるため、その後の外科手術のガイドとして非常に役立ちます。また、脳神経外科医が困難な手術に臨む前に、デモンストレーション手術を行うこともできます。さらに、3D プリントモデルを使用することで、脊椎変形の問題をよりよく研究することもできます。
解剖学の分野では3Dプリントは主に研究段階ですが、3Dプリントモデルは多くのケースで使用されています。たとえば、日本の神戸大学病院の外科医は、生体移植に3Dプリント肝臓モデルを使用する予定です。彼らは患者の臓器のレプリカを使用して、組織の損傷を最小限に抑え、レシピエントの腹腔に適合するようにドナー肝臓を最も適切に切り開く方法を決定します。これらの 3D モデルは通常、部分的に透明で、生体組織に似た水分含有量と質感を持つ低コストのアクリルまたはポリビニルアルコール材料で作られており、外科手術の実験をより現実的にします。
外科手術用の3Dプリントモデル3.3Dプリント薬剤送達デバイス
3Dプリンティング技術はすでに医薬品の研究や製造に活用されており、革命的な技術となることが期待されています。 3D プリントの利点には、液滴サイズと投与量の正確な制御、優れた再現性、複雑な薬物放出プロファイルを備えた投与形態を製造できることなどがあります。複雑な医薬品製造プロセスも 3D プリントの使用によって標準化され、よりシンプルで実現可能なものになります。 3D プリント技術は、個別化医療の開発においても非常に重要な役割を果たします。

4. カスタマイズ医療医薬品開発の目標は、有効性を高め、副作用のリスクを減らすことです。この目標は、3D プリント技術を適用してパーソナライズされた医薬品を生産することで達成できる可能性があります。経口錠剤は、製造が容易で、痛みがなく、投与量が正確で、患者の服薬コンプライアンスが良好なため、最も人気のある薬剤投与形態ですが、錠剤などの個別化された固形投与形態を調製する実行可能な方法は存在しません。現在、経口錠剤は、湿った粉末成分を混合、粉砕、乾燥、造粒するなどの工程を経て製造され、その後圧縮または成形によって錠剤に成形されます。これらの製造ステップのそれぞれは、薬剤の劣化や形態変化などの薬剤調製に対する課題をもたらす可能性があり、最終的には製剤または薬剤バッチ製造の失敗につながる可能性があります。さらに、これらの従来の製造プロセスは、パーソナライズされた医薬品の作成には適しておらず、非常に複雑な形状、新しい薬物放出プロファイル、および長期安定性を備えたカスタマイズされた剤形を製造する能力が制限されています。

薬剤師は、患者の薬理学的プロファイルと、年齢、人種、性別などの他の特性を分析して、最適な薬の投与量を決定できます。薬剤師は 3D 印刷システムを通じてパーソナライズされた医薬品を印刷し、調剤することができます。必要に応じて、臨床反応に基づいて投与量をさらに調整することができます。

3D プリンティングは、複数の有効成分を含む錠剤など、まったく新しい処方の製造を可能にする可能性もあります。複数の慢性疾患を抱える患者の場合、必要な錠剤を治療現場で印刷できるため、1 つの錠剤で正確かつ個別化された多剤治療を患者に提供でき、患者の服薬コンプライアンスの向上に役立ちます。将来的には、薬局は 3D プリントされたカスタマイズされた医薬品を顧客に直接販売できるようになるかもしれません。

3D プリンティングは、医療を含むさまざまな分野で潜在的に変革をもたらすツールとして登場しており、プリンターの性能、解像度、利用可能な原材料の種類が増えるにつれて、その用途はますます広がっています。研究者たちは、3D プリント技術を使用して、既存の医療アプリケーションを継続的に改善し、新しい医療の方向性を模索しています。 3D プリンティングは医療分野で目覚ましい成果を上げていますが、人間の臓器の印刷など、革新的な用途にはまだ長い道のりが残っています。

著者: 張鵬 (AVIC Metallurgy Technology (Beijing) Co., Ltd.)
出典: 新素材産業

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