医療業界で最も広く使用されている 3D プリントの用途は何ですか?

「十二支」を覚えていますか？ジャッキー・チェンは手袋をはめてネズミの頭に触れ、データのスキャンを完了した。その後、コンピューターモデリングにより、数分でレプリカが完成します。映画が公開された2012年には、3D プリントのストーリーはまだかなり SF 的なものに思えましたが、今日ではもはや目新しいものではありません。シンプルな 3D プリントは長い間、子供向けのおもちゃとなってきました。

産業レベルでは、3Dプリントの応用範囲はさらに広く、自動車、軍艦、さらには住宅も印刷できます。もうひとつの例は、前回ご紹介した3Dプリント肉製品です。

最先端の技術に最も対応できる業界である医療分野が、当然ながらこの機会を逃すはずはありません。現在、医療業界では、医療機器、臓器、手術に至るまで、幅広い 3D 製品とアプリケーションが最初に形成されました。

では、その適用の現状はどうなっているのでしょうか。また、解決すべき問題は何でしょうか。

3D プリントは大々的に宣伝されていますが、一体何ができるのでしょうか?

医療業界における 3D プリントの最も広く使用されている用途は何かと聞かれれば、当然、手足や臓器のプリントと答えるでしょう。

人間の体の中で最も交換可能な部分は当然手足や歯などです。これらの部品の主な機能は、人の移動や生活を補助することです。単一の機能を持つため、構造は比較的単純です。さらに、理論的には、四肢を失っても人の寿命に大きな影響を与えることはほとんどありません。そのため、義肢や義歯は非常に一般的であり、3Dプリント技術が登場すると、当然ながらこの分野にも急速に応用されました。

現在、3Dプリント義肢技術は非常に成熟しており、生活の中で広く使用されています。イギリスの少女には3Dの手が装着され、移民労働者には頭蓋骨が装着され、オーストラリアのCSIRO社でさえ、患者のためにチタン製の胸骨と肋骨をオーダーメイドで作製し、3Dの胸腔を作成することができる。

最近の研究では、AIと3Dプリントを組み合わせる可能性も示されています。カリフォルニア大学バークレー校とシュリウェル歯科研究所の研究者チームは、新しいクラウンのデザインを自動的に生成する汎用敵対的ネットワーク (GAN) を構築しました。欠損歯のスキャンに基づいて新しいクラウンの形状を予測します。まず、歯が抜けている下顎の片側をスキャンして 2D 画像を作成します。次に、顎の反対側もスキャンします。 GAN は、欠損した歯がある隙間の距離を学習し、その隙間を 3D の新しいクラウンデザインで埋めます。

GAN モデリングの精度を活用することで、将来の 3D プリントは人間の生理学的特性や機能的指向にさらに沿ったものになることが期待されます。例えば、受容空洞の問題をより適切に解決し、義歯の装着をより快適にすることができます。

手足や歯などを印刷するのは簡単だが、臓器を 3D 印刷するのは難しいかもしれない。関連する研究も秩序正しく行われています。

臓器には多数の血管が含まれており、臓器ごとに組織の構成が異なるため、臓器を 3D プリントすることは困難です。例えば、脳は主に大量の神経組織で構成されていますが、神経組織の印刷や培養には依然として大きな技術的困難が存在します。

良いニュースとしては、3D 肝臓がすでに印刷され、無事に生き残っていることです。アメリカのバイオテクノロジー企業であるオルガノボは、かつて細胞3Dプリント技術を使用して、細胞培養ベースで肝臓に必要な細胞組織を印刷したことがある。培養皿で培養すると正常な形の肝臓に成長し、人体に移植できる。しかし、肝細胞は印刷後に活動を失い、死んだ細胞になります。

肝臓に加えて、腎臓や膵臓などの他の臓器も研究されています。研究者たちは一般的に、真に機能的で移植可能な 3D プリント臓器を実現するには少なくとも 10 年はかかると考えています。人間の臓器移植の発展にとって、10年は長い時間ではありませんが、短い時間でもありません。この技術が現実のものになれば、革命的な変化がもたらされるだろう。緊急に手術が必要な人々は、生きた臓器を待つことができないために絶望して死ぬ必要がなくなり、臓器は大量生産できる商品となるだろう。

手術は繰り返し可能：「1回限り」から「繰り返し」へ

医療分野で絶対的な利点を持つ 3D プリントのもう一つの用途は、手術支援です。

外科手術、特に人体の内臓や組織に対する手術は非常に危険な仕事です。何千年もの間、医師たちは手術の成功率を高め、患者の生活の質を向上させる方法をたゆまぬ努力で追求してきました。

当初、視覚的な医療機器がなかった頃は、医師が体の特定の部分に問題があると判断した場合、まず体を開いて病変の位置を探り、手術を行うしかありませんでした。このプロセスの間、医師は主に自身の蓄積された経験を頼りに病気を正確に特定します。しかし、人間の体は違います。器具や電子機器の助けを借りて、医師は手術前に技術的な手段で病変を特定することができ、経験的な手段に比べて手術の精度が大幅に向上します。

最初の「単純な」アプローチであれ、視覚機器の追加であれ、この手術には明らかな特徴が 1 つあります。それは、手術が 1 回限りであるということです。

3D プリント技術の出現により、外科手術は再現性という新たな特徴を持つようになりました。

シカゴのノースウェスタン・コミュニティ・ヘルスケアの外科医らは最近、3D技術を用いて脳腫瘍の患者の手術を行った。一般的に、脳の細部は肉眼では見ることができないため、脳腫瘍の除去には多くのリスクが伴います。脳をスキャンして腫瘍の位置を特定した後、医師は患者の3D脳モデルを作成した。そして、このモデルを通して、医師は腫瘍以外の脳の領域を観察し、手術領域全体を明確に理解することができます。最も重要なのは、脳モデルを構築することで、実際の手術の前に複数のシミュレーション訓練を実施し、偶発的に損傷を受ける可能性のある脳の健康な部分に触れないようにしながら、起こり得る緊急事態に対処できることです。

私の国は、外科手術における3Dプリントの応用においても技術的な進歩を遂げました。先月、南京医科大学第二付属病院心臓血管センターは、3Dプリント心臓技術を使用して心臓病患者の心臓を複製し、患者の心臓の複雑な血管構造を発見しました。さまざまな手術方法をシミュレーションすることで、最終的に最適な手術計画を策定し、スムーズに実行しました。

そして、手術が「一度きりの決断」から繰り返しテストできる医療手法に変われば、手術の成功率は間違いなく大きく向上し、リスクも軽減されるでしょう。一方、手術過程を繰り返しシミュレーションすることで、医師の手術熟練度が向上し、手術時間が大幅に短縮され、患者は手術による長時間の痛みに悩まされることがなくなります。

丘を越えるには風に逆らって進まなければならない

さらに、3D プリント技術は製薬業界でも使用され、患者がオンデマンドで薬を印刷したり、矯正インソールや補聴器などのリハビリ機器を作ったり、骨などのインプラントを印刷したりできるようになります。 3Dプリンティング技術はあらゆる面で医療業界の方向性に影響を与えていると言えます。

しかし、3D医療はまだ完璧ではなく、その推進には依然としていくつかの問題が残っています。

1. 物質的な問題。これまでの外科手術では、体内のインプラントに問題が発生することが多く、インプラント自体に問題があったか、インプラントが体に害を及ぼしたために、患者は二次的な痛みに悩まされていました。まあ、新興技術として、3D プリント技術もこの問題を考慮する必要があります。印刷だけであれば、あまり価値がないかもしれません。人体により適した素材を探求できれば、テクノロジーの運命を左右する重要な役割も担うことになるだろう。

2. 商業プロモーションに関する問題。技術が単なる花瓶であれば、その運命は必然的に短命なものとなるでしょう。さて、3D プリントに関しては、財政的に強い病院の中にはまだ導入しているところもあります。市販されている一般的な3Dプリンターの価格は数十万元で、病院などより高い精度が求められる分野の機器の価格はさらに高くなります。例えば、3Dプリントに対する医療の要求は非常に高く、日本のメーカーがプリントした3D肝臓では血管がはっきりと見えます。このような精度の機器は、一般の病院では手に負えないものです。したがって、技術研究開発を強化し、設備コストを削減することが、その急速な普及と推進の鍵となる可能性があります。

3. 印刷オルガンの運動エネルギー問題。現時点では、細胞を重ねることで短命の肝臓を作ることはできるものの、作れるからといってそれが機能する肝臓の機能を備えているわけではありません。実際、機器の環境は人体と比較できないため、薬理試験には違いが生じます。さらに、酸素や栄養素を輸送するための血管をどのように作るかという問題も残っています。この問題が解決されなければ、細胞は長く生き残ることができません。さらに、このタイプの 3D プリント臓器は、将来的には人間による拒絶反応の問題にも直面するでしょう。現在の生体臓器よりも体によく適応するのでしょうか、それとも拒絶されるのでしょうか?私たちはこれについて何も知りません。

そして臓器が絡むと、人々は倫理的な問題について語り始めます。しかし、目的は人命をよりよく守ることなので、この問題に関する論争は特に激しくなることはないはずです。

3D プリンティングは医療業界ではまだ比較的新しいものです。新しい技術が登場するたびに、医療業界はそれを試そうとする傾向にあることがわかります。これは一方では医療問題の多様性と複雑さを反映しており、他方では人間の生命に対する尊敬と畏敬の念も反映しています。この生命に対する尊重は、医療従事者がテクノロジーを活用して困難を克服するための尽きることのない原動力にもなるでしょう。

出典: フラッシュ

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