【分析】医療分野における3Dプリントの応用の進展

3Dプリンティング技術とは、金属粉末、感光性樹脂、その他の接着材料をコンピューターデータに従って層ごとに印刷し、最終的に3D物体に重ね合わせる技術です。主な 3D 印刷プロセスには、3D 印刷技術、選択的レーザー焼結技術、選択的レーザー溶融技術、熱溶解積層法技術などがあります。 3D プリント技術は、パーソナライズ、精度、遠隔性などの利点があり、特に医療分野での応用に適しています。 3D プリント技術は、主に外科手術の補助、パーソナライズされた医療機器の印刷、組織工学、医学教育、基礎科学研究など、医療分野で広く使用されています。
1. 外科手術支援における3Dプリントの応用
3D 印刷技術は、術前のコンピューター断層撮影、磁気共鳴画像法、その他の画像データに基づいて局所病変の 3D ソリッドモデルを印刷できるため、医師は局所病変の解剖学的関係を完全に理解し、手術計画を立て、手術プロセスをシミュレーションできます。 3D プリント技術は、整形外科、脳神経外科、形成外科などの分野で広く使用されています。 LiuらはまずCTデータを用いて下顎欠損のコンピュータ仮想モデルを再構成し、物理的欠損モデルと修復モデルを3Dプリントした。彼らはコンピュータ上で治療計画を作成し、適切な脛骨採取部位を選択し、チタンプレートのサイズを決定した。次に、3Dプリントされた物理的モデルで術前シミュレーションを行った。最終的に、対象患者は外見と言語機能の回復に満足した。同時に、3Dプリント技術により手術の精度も大幅に向上し、手術時間も短縮された。この研究は、デジタル設計と3Dプリントの組み合わせが下顎欠損治療手術の精度と有効性の向上に有益であることを示しています。

Dennis らは、術前シミュレーションに 3D プリント技術を使用し、複雑な顎顔面再建手術を成功させました。この研究では、術前シミュレーションが皮弁移植と骨板接合において重要なガイド役を果たすと考えています。医師は患者の病変の画像データに基づいてガイドプレートなどの補助器具のデザインをカスタマイズし、3Dプリント技術で印刷して手術に使用することができます。 Levineらは、3Dプリント技術を頭蓋顎顔面外科手術に応用することに成功しました。3Dプリントで印刷されたパーソナライズされた手術ガイドにより、骨の再配置と置換の精度が効果的に向上し、術後の結果は理想的でした。 Wu Dongying らは、3D プリントされた骨切りガイドを全膝関節置換手術に適用し、3D プリントされた骨切りガイドを活用した全膝関節置換手術では手術時間が短縮され、出血も少なくなることを発見しました。

複雑な外科手術を支援するために 3D プリント技術とデジタルデザインを応用することは、手術の精度と成功率の向上に役立ち、手術の結果を最適化することができます。さらに、3D プリントされた局所病変モデルは医師と患者のコミュニケーションに使用でき、患者の理解の難しさが軽減され、ますます緊張する医師と患者の関係が緩和されます。

2. パーソナライズされた医療機器印刷における3Dプリントの応用
3D プリント技術は、補聴器、義肢、義歯、新しい薬物送達システム、パーソナライズされたインプラントなどの医療機器の製造にも広く使用されています。 3D プリント補聴器はさまざまな患者の個別のニーズを満たすことができるため、ヨーロッパにおける 3D プリント補聴器の生産規模は年間 30% の割合で増加しています。同時に、ヨーロッパの約3万人の患者がカスタマイズされた3Dプリントチタン合金製義肢を使用しており、従来の義肢と比較して、3Dプリント義肢は患者との適合性と人間工学の面で大きな利点があります。 Bibb らは、臨床実験を通じて、3D プリントされた取り外し可能な部分入れ歯は完全に機能的で非常に適しており、患者の個別のニーズを満たし、従来の入れ歯の不確実性と繰り返し性を回避できることを発見しました。高分子科学と薬理学の継続的な発展と融合により、安全で効率的な新しい薬物送達システムが次々と登場していますが、十分に精密な制御技術が不足しているため、システム内の薬物の3次元的な位置と構成、デバイスの微細構造に関する研究を行うことは困難です。 3D プリント技術はこの欠点を効果的に補い、多くの学者がこの技術を使用して関連する研究を行っています。 Wu らは 3D 印刷技術を使用して、埋め込み型薬物送達システムの調製を研究しました。Katstra らは 3D 印刷技術を使用して、経口持続放出薬物送達システムの調製を研究しました。

個人間の骨の違いにより、標準化された整形外科用インプラントは患者に完全に適合することができず、インプラントの機能が制限される、生体力学的効果が乏しい、耐用年数が短いなどの問題に簡単につながる可能性があります。 3D プリント技術により、さまざまな骨の特性に応じて個別のインプラントをカスタマイズできるため、上記の問題を回避できます。一方、3D 印刷技術は、多孔質の海綿骨プロテーゼを印刷し、プロテーゼと骨の界面での骨の治癒を促進し、応力遮蔽の発生を減らし、インプラントの耐用年数を延ばすことができます。現在、一部の学者が関連する臨床実験を実施し、比較的理想的な実験結果を達成しています。 Cheng Wenjun らは、3D プリントされた金属製寛骨臼カップを 9 人の患者に使用し、6 か月間追跡調査しました。追跡調査の結果、移植された寛骨臼は手術後に良好な安定性と骨の成長を示したことが示されました。 Benum らは、3D 技術でプリントされた大腿骨人工関節を使用して 2 回の人工股関節全置換手術を実施し、比較的理想的な結果を達成しました。 3D プリント技術は高度にカスタマイズ可能であり、パーソナライズされた医療機器の製造に大きな利点があります。補聴器、義肢、義歯を3Dプリントする技術は比較的成熟しており、市場見通しも良好です。パーソナライズされたインプラントなど、体内で使用する医療機器の印刷はまだ実験研究段階にあります。 3Dプリント技術の臨床応用に関する国内外の報告は少ない。この技術はまだ臨床観察段階にあり、異なる患者に適した異なる硬度と密度の骨組織をいかに正確にプリントするかなど、未解決の技術的問題が数多くあるためである。

3. 組織工学における3Dプリントの応用
組織工学における 3D プリントの主な用途の 1 つは、組織工学の足場を印刷することです。初期のスキャフォールド構築では、従来の鋳造技術が使用されていたため、多孔質構造の気孔サイズがセルの容積と一致しないという問題が起こりやすく、同時に、スキャフォールドの内部構造やセルと気孔サイズの接続を正確に制御することができませんでした。 3Dプリント技術は、この問題をよりうまく解決できます。一部の学者は、真空凍結乾燥技術と3Dプリント技術を組み合わせて組織工学の足場を作り、脂肪幹細胞を種細胞として実験を行いました。彼らは、3Dプリントされた足場は細胞接着性と組織拡張性に優れ、足場本来の形態を維持し、細胞の成長による足場材料の侵食や押し出しに抵抗できることを発見しました。 3D プリントされたスキャフォールドは良好な結果を達成していますが、3D プリント技術のみを使用して 3D 多孔質スキャフォールドを準備しても、正確な細胞配置を確保することは困難です。

そこで、一部の学者は、CT、MRI画像データと臓器の生理構造情報に基づいて、移植に必要な臓器の幾何学的モデルと生理的特徴を再構築し、3Dプリント技術を使用して天然細胞と細胞マトリックスを層ごとに印刷し、臓器の幾何学的特徴と生理機能を備えた人工臓器、つまり3Dバイオプリンティングを実現しました。 3Dバイオプリンティングは国内外の科学研究者から広く注目されており、臓器修復において一定の成果を上げています。 Zopf らは、気管支軟化症の乳児に 3D プリントされた気管ステントを移植することに成功しました。1 年間の追跡調査の後、患者の健康状態は良好でした。 3D バイオプリンティングは組織工学における重要な新技術です。 3Dバイオプリンティングは遅れて始まりましたが、急速に発展しており、国内の研究レベルは国際的な先進レベルに近づいています。清華大学と杭州典子大学も細胞印刷において一定の成果を上げている。 3Dバイオプリンティングの重要な分野として、3D臓器プリンティングは依然として多くの技術的課題に直面していますが、技術が徐々に発展し改善されるにつれて、3Dバイオプリンティングは臓器修復の新たな方法を提供するでしょう。

4. 教育と基礎科学研究における3Dプリントの応用
3Dプリント技術は、人体の臓器や組織の3Dモデルを正確にプリントアウトし、臓器や組織の構造をリアルかつ直感的に表示できるため、医学教育に役立ちます。同時に、人体管鋳造標本では人体標本が無駄になり、再現できないという問題を効果的に解決できます。 Kong Jinhai らは、8 年間の臨床コースの状況指導に 3D プリントモデルを適用し、対照実験を実施しました。その結果、8 年間の学生は、従来の指導方法を使用する対照群よりも、3D プリントモデルの状況指導下で腫瘍のサイズ、動脈、周囲の隣接神経、および腫瘍の境界に対する認知習熟度が高かったことが示されました。 Mcmenami らは、3D プリントモデルを解剖学教育に適用し、従来の教育に存在する経済的、健康と安全、社会的倫理的問題を効果的に回避し、比較的理想的な結果を達成しました。

3D プリントは、病理学や病気のメカニズムの研究に新たなツールを提供します。 3D 物理モデルを印刷することで、病理組織の構造形態を表示したり、実際の人間の環境における血行動態や組織のストレスや歪みなどの生体力学的条件をシミュレートしたりすることができ、疾患発症の生体力学的メカニズムを研究するためのツールを提供します。これまで、腫瘍のin vitro研究は腫瘍細胞の培養に限られており、培養液が人体の内部環境と大きく異なっていたため、腫瘍の病理学的メカニズムや治療法の研究には限界がありました。3Dプリント技術の登場により、この状況は改善されました。 Xuらは、線維芽細胞とヒト卵巣癌細胞を原料として、高スループットの自動細胞印刷システムを使用して、2つの細胞の3D共培養モデルを印刷しました。このモデル内の2つの細胞の密度と距離は厳密に制御されており、細胞は印刷および増殖プロセス全体を通じて活性を維持しました。この方法は、癌細胞と正常組織細胞間の監視フィードバック機構の研究に新たな道を開きました。

現在、薬物の試験は主に動物モデルを通じて行われています。ヒト以外の霊長類は遺伝的にヒトに類似していますが、コストや倫理的問題などの要因によりその使用は制限されています。しかし、容易に入手できる実験動物（マウスなど）は、生物学的にヒトとは大きく異なり、得られた実験結果をヒトに完全に適用することはできません。 3D プリント技術は、上記の問題に対する可能な解決策を提供します。2014 年 11 月、Organovo は、臨床薬物試験用の商用 3D プリントされたヒト肝臓組織 ex-Vive3DTM をリリースしました。3D プリントされたヒト臓器 (肝臓など) を新薬試験に使用すると、より正確な試験結果が得られるだけでなく、新薬の研究開発コストも削減できます。

5. 欠点と展望<br /> 3Dプリント技術にはさまざまな利点がありますが、その発展は依然として多くの要因によって制限されています。たとえば、材料の制約：医療用3Dプリント材料の種類は限られており、主にハイドロゲル、リン酸カルシウムバイオセラミックス、チタンであり、3Dプリント材料の国内標準がないため、3Dプリント材料は主に輸入に依存しています。コスト価格の制約：材料価格は3Dプリント技術の推進を制限します。人体特性に適したチタン合金などの金属材料の場合、金属粉末の価格は200〜400米ドル/ kgと高く、対応する3Dプリント装置の価格は数万〜数千万元に及びます。精度の制約：組織や臓器の構造は複雑であり、複雑な内部構造にはミクロン単位の解像度を持つさまざまな種類の細胞が含まれています。したがって、3Dプリントの成形解像度とマルチノズル制御プロセスは、医療用途で解決する必要がある技術的問題になります。 3Dプリント技術の現在の欠点は、科学研究や臨床実践におけるその推進と応用を制限しています。多くの研究はまだ初期段階にありますが、技術の継続的な発展により、現在の問題は一つずつ克服されると期待されています。新素材の継続的な発見と応用により、3Dプリントの応用範囲はますます広がり、技術が徐々に向上するにつれて、3Dプリントの経済的コストは徐々に低下し、新しい印刷機器の継続的な改善とアップグレードにより、3Dプリントの精度は徐々に向上し、パーソナライズされた活性臓器または組織を直接印刷することが実現されることが期待されます。

Huang らは、中国では毎年約 150 万人が末期の臓器不全により臓器移植を必要としているが、毎年入手可能な臓器の数は 10,000 個未満であり、需要と供給の比率は約 1:150 であることを発見しました。同時に、中国では臓器移植を必要とする患者の数は毎年10％以上増加しています。したがって、技術が徐々に向上するにつれて、3D プリンティングはこれらの患者に生存の希望を与える可能性があります。 3D プリント技術の医療分野への応用は、医療技術の発展を大きく促進し、その巨大な応用可能性を初めて実証しました。臨床医療応用の分野では、3D プリント技術の高度なカスタマイズ性により、個別化医療の実現に有利な条件が整い、技術の継続的な開発と改善により、患者はより個別化された医療サービスを享受できるようになります。

編集者: Antarctic Bear 著者: Deng Bin、Ouyang Hanbin、Huang Wenhua (南方医科大学基礎医学部解剖学科)

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