西華病院が世界初の3Dプリント膝蓋骨人工インプラントを完成

最近、四川大学華西病院整形外科で、3Dプリント技術で作られた膝蓋骨人工器官が、54歳の患者である徐さんの右膝に移植された。特殊な金属とプラスチック材料で作られたこの「新しい骨」は、もともと腫瘍だらけだった骨と置き換わり、腱とともに再生し、徐さんの膝関節が自由に動き続けることを可能にする。手術前、徐姉妹は自分の膝の金属骨が世界初の3Dプリント膝蓋骨人工器官であることを知らなかった。

患者の膝蓋骨腫瘍の検査結果：徐さんは2年前、骨巨細胞腫と診断された。昨年再発し、膝蓋骨が腫瘍で覆われた。切除すれば徐さんは今後松葉杖に頼ることになる。四川大学華西病院整形外科の屠崇奇教授のチームは、3Dプリント技術を使って徐さんの膝蓋骨人工器官を作り直し、彼女の可動性を維持した。国内外の関連論文や報道を調べたところ、これまで関連事例は報告されていないという。
右膝に大きなしこりがある患者の手術前の写真
骨がんが手術後に再発、膝蓋骨除去は障害のリスクを伴う<br /> 2年前、巴中市に住む徐さんは突然右膝に激しい痛みを感じました。徐さんは関節炎だと思って深刻に考えませんでしたが、痛みがひどくなり、歩くのも困難になりました。徐さんは病院で検査を受けました。医師は徐さんの右膝の膝蓋骨に腫瘍があることを発見しました。骨巨細胞腫と診断され、手術を受けるよう勧められました。

「数か月後、また何かおかしいと感じ、医師は再発だと言いました。」徐姉妹は膝にしこりが現れ、手術が必要になる可能性もあるため医師は3か月の観察を勧めたと語った。心配した家族は徐姉を治療のため四川大学華西病院の整形外科に送った。

検査の結果、骨芽細胞腫が徐姉妹の膝蓋骨全体に広がり、その縁が破壊され、軟部組織の塊ができていることが判明した。「単に削って骨を移植する手術は再発しやすいので、膝蓋骨を丸ごと切除するのが最善です」四川大学華西病院整形外科の副部長兼主任医師である屠崇奇教授は、膝蓋骨の腫瘍の発生率は低いため、通常の治療法は切除であると語った。しかし、腫瘍全体を除去した後は、患者の歩行機能は必然的に影響を受けます。「ただ除去すると大きな欠損となり、力が発揮できなくなる。少なくとも松葉杖が必要になる」

膝蓋骨は一般的に膝のお皿として知られ、その周囲の重要な腱組織とつながっています。筋力を伝達し、歩行やしゃがむなどの膝の屈曲運動を完璧にするだけでなく、膝関節を保護する役割も果たしています。膝蓋骨がないと、体の運動機能に影響が出ます。

3Dプリント膝蓋骨モデルのCAD支援設計と最適化
3Dプリントされた膝蓋骨人工インプラント、数百ミクロンの微細孔が骨と金属の「成長」を助けます

「私たちは、3Dプリント技術を使って義足を作るのが彼女にとって最善の選択肢だと提案しました」と屠崇奇医師は語った。患者と家族の同意を得た後、医師は3Dプリント技術を使って徐姉妹の左足の膝蓋骨の鏡像構造に基づいて新しい膝蓋骨を「コピー」した。

膝蓋骨は卵ほどの大きさしかありませんが、実は非常に複雑な構造をしています。 Tu Chongqi氏は、膝蓋骨は一定の曲率とさまざまな厚さを持つ不規則な三角形であると紹介しました。そのため、膝蓋骨を3Dプリントする上で最も難しいのは、最大高さ、最大幅、最大厚さ、膝蓋骨関節面の高さ、膝蓋骨内側関節面の幅、膝蓋骨外側関節面の幅などのデータを含む膝蓋骨の測定です。 Tu Chongqi教授のチームは、まず健側膝蓋骨の解剖学的データを測定し、逆に健側膝蓋骨モデルを生成しました。コンピュータ支援設計を継続的に最適化し、周囲の重要な筋肉、腱、靭帯などを十分に考慮して最終的な3Dプリントモデルを形成し、「オーダーメイド」の特別な生産を完了しました。全体の生産プロセスは約2週間かかりました。

「まずは見た目を考慮し、次に金属の厚さ、そして変形せずにどれだけの力に耐えられるかです。」 Tu Chongqi 氏は同時に、金属は軟骨に直接接触すると損傷しやすいため、ポリエチレン製のガスケットを使用していると述べました。「このガスケットの柔らかさは軟骨に非常に近いので、将来摩耗してもガスケットを交換するだけです。」

驚くべきことは、この新しい金属製の「膝蓋骨」が関節に埋め込まれるだけでなく、さらに重要なのは、人体の本来の軟組織と「リベット留め」され、「ボタンのように」一体化することである。その「秘密兵器」は、人工関節にある数百ミクロンの無数の小さな穴にある。「大きな穴は縫合に使用され、腱などの軟組織は小さな微細孔にゆっくりと成長します。骨細胞、軟組織、本来の組織が一体化し、本来の活動機能に影響を与えません。」整形外科で一般的に使用される「骨セメント」素材と比較して、3Dプリント技術の「リベット留め」は緩みにくいだけでなく、耐用年数も長くなります。「理論上、20〜30年間は問題ないでしょう。」

4月3日、屠崇奇医師のチームは徐姉に2時間に及ぶ手術を行った。屠崇奇さんは、2～4週間の成長期間を経て徐姉さんは歩き回れるようになると語り、回復期間は一般的に1.5～3か月だと述べた。「今後は、通常の軽い運動には問題ないでしょう。」

徐姉妹の足には治癒を助けるために保護装具が装着された。

トゥ・チョンチー医師が患者の手術部位を検査する
西華病院は 50 個以上の 3D プリント金属人工インプラントを完成させました<br /> 2015年10月、屠崇奇教授のチームは世界初の「3Dプリント膝関節温存脛骨骨幹金属骨梁プロテーゼ再建手術」を成功させ、「骨芽細胞性骨肉腫」を患う19歳の少年の膝関節機能を完全に保ち、現在も自由に動ける状態を維持している。

骨の形態は人それぞれ異なり、従来の骨や関節の人工器官やインプラントは固定モデルで一括製造されるため、各人に適合させることが難しく、手術にいくつかの困難をもたらします。3Dプリントは「個別化」、つまり骨の形態に基づいて身体にフィットする人工器官を設計および製造することを実現します。

Tu Chongqi教授のチームは、3Dプリント技術を使用してさまざまなバイオタイプの義肢をカスタマイズし、臨床応用することに成功しました。現在までに、Tu Chongqi教授と彼のチームは、腫瘍による骨欠損の治療のために、半手首関節金属義肢、半骨盤義肢、距骨義肢、踵骨義肢、脛骨幹義肢、および全尺骨義肢を含む50を超える3Dプリント金属義肢の移植を完了しています。術後の追跡調査では、骨が人工骨と骨の界面に成長し、生物学的界面の統合が達成され、手術効果が期待どおりであることが示されました。

成都ビジネスデイリーのクライアント記者であるユー・ズンス氏が写真を撮影し、一部の写真はインタビュー対象者から提供されたと報告した。出典：成都ビジネスデイリー

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