バイオメディカル分野における3Dプリンターの応用の分析

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-27 16:59 に最後に編集されました。

1988 年に最初の 3D プリンターが登場してから現在に至るまで、3D プリンティングはホットでよく知られた用語となり、「第 3 次産業革命の重要なシンボルの 1 つ」としても称賛されています。しかし、多くの人の印象は「どんな複雑な建材でも印刷できそう」という程度にとどまっているかもしれません。しかし、実はここ10年ほどで、3Dプリンティングはもはや製造業に限定されなくなりました。製薬業界でも急速に拡大し、さまざまな有望なアプリケーションが次々と登場しています。この記事では、3Dプリンティングと製薬業界でのその応用について簡単に説明します。

最初の3Dプリンター

1. 3Dプリントの種類
3Dプリンティング技術は、1980年代後半から徐々に登場してきた新興製造技術です。対象物のコンピュータ支援設計（CAD）モデルやコンピュータ断層撮影（CT）データに基づいて、コンピュータ制御下で材料を精密に3D積層することにより、任意の複雑な形状の3D対象物を迅速に製造できる新しいデジタル成形技術を指します。
現在広く使用されている 3D 印刷技術には、ステレオリソグラフィー (SLA)、熱溶解積層法 (FDM)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、3 次元印刷 (3DP) などがあります。

1. 光造形印刷 ステレオリソグラフィー（SLA）は、特定の波長と強度のレーザーを液体の光硬化性材料の表面に集束させ、点から線へ、線から面へと順番に固化させて、描画作業のレベルを完了するプロセスです。次に、光波は層ごとに別のレベルに移動され、3 次元のエンティティを形成します。

2. 熱溶解積層法による造形 FDM (熱溶解積層法) プロセスは、熱可塑性樹脂、ワックス、金属フィラメントなどのフィラメント材料を加熱ノズルから押し出し、部品の各層の所定の軌道に従って一定速度で溶融するプロセスです。各層が完成すると、作業台は 1 層の厚さ分下に移動して新しい層を堆積し、このプロセスが繰り返されて最終的に部品の堆積成形が達成されます。 FDM プロセスの鍵は、半流動性成形材料の温度を融点よりわずかに高い温度 (融点より約 1°C 高い温度) に保つことです。各層の厚さは押し出されたワイヤの直径によって決まり、通常は 0.25～0.50mm です。

3. 選択的レーザー焼結印刷 選択的レーザー焼結法 (SLS) では、エネルギー源として赤外線レーザーを使用し、使用される造形材料は主に粉末材料です。加工中、粉末はまず融点よりわずかに低い温度に予熱され、次に削り棒の助けを借りて粉末が平らにされます。レーザービームはコンピューター制御の下で層の断面情報に従って選択的に焼結し、1つの層が完成すると次の層が焼結されます。すべての層が焼結された後、余分な粉末が除去され、焼結部品が得られます。

4. 3Dインクジェット印刷 3D インクジェット印刷では、液体バインダーを薄い粉末層の上に置き、断面データを印刷して各コンポーネントを層ごとに作成することで、3D ソリッドモデルを作成します。この技術で印刷されたサンプルモデルは実際の製品と同じ色を持ち、色分析結果をモデルに直接描画できるため、モデルサンプルはより多くの情報を伝えます。 3Dインクジェット印刷の材料は主にいくつかの高性能複合材料（高強度印刷粉末）です。現在、3D インクジェットプリンターは、市場で最高の精度と最高の成形効果を備えたハイエンドの印刷装置です。

2. 3Dプリントのメリットとデメリット 利点:
（１）高い印刷精度現在市販されている主流の 3D プリンターの精度は、基本的に 0.3 mm 以下に抑えられています。高精度のものでは、解像度 600 dpi で印刷厚さがわずか 0.01 mm のものもあります。
（２）生産サイクルが短い。 3D プリントでは、数時間以内にコンピューターでデジタルモデルを迅速かつ正確に印刷できます。
（３）個別のニーズに応える理論上、3D プリンターはコンピューターで設計されたあらゆる形状のモデルを印刷できます。
（４）材料を保存する。 3D プリンティングは付加製造の特性により、製造中に廃棄物を生成しません。生産ラインを廃止することでコストを削減し、材料の利用率を向上させます。

デメリット:
（１）印刷精度には限界がある。 3D プリント技術は高精度を実現していますが、カメラレンズなどの一部の特殊な精密製品を印刷することはまだできません。
（２）使用される材料の範囲が限られている。現在の3Dプリンターの成形原理では、金属粉末、無機粉末、感光性樹脂、プラスチックなどしか使用できず、衣類の繊維などの特殊な材料には未だ無力です。
（３）印刷サイズには制限があります。 3D プリンティングの用途は多岐にわたりますが、軍事、航空宇宙、航行産業で求められる大型部品を実現するのは依然として困難です。

3. 医療分野における3Dプリント技術の応用 3Dプリント技術の発展と成熟に伴い、医療モデルの製造、組織や臓器の再生、臨床修復治療、医薬品の研究開発試験にも広く使用されるようになりました。

1. 医療用模型の製造 医療モデルは基礎医学や臨床実験教育に広く利用されており、大量に消費されています。しかし、医療モデルの従来の製造方法は複雑で時間がかかり、使用中に損傷しやすいという問題がありました。 3D プリントを使用して医療用教材、医療実験モデル、その他の備品を製造すると、上記の問題の発生を回避できるだけでなく、実際のニーズに応じていくつかの特別なモデルを個別に製造することも可能になります。

リスクの高い手術の場合、手術を安全に実施するために、医師は病変の臓器モデルに基づいて分析・計画し、重要な手術計画を決定します。 3D プリント技術は材料を正確に制御できるため、高品質の臓器モデルを迅速に作成でき、医師が手術を正確に計画し、手術の成功率を向上させ、手術計画について医師と患者の間で直感的なコミュニケーションを促進するのに役立ちます。

例：
米国の病院が結合双生児の頭蓋骨分離手術を成功させた。特に印象的だったのは、手術前に病院がイスラエルのObeject社の3Dプリンターを使って精密な結合頭部を作成したことだ。これを踏まえて、私たちは手術計画を慎重に検討した結果、過去の同様の手術では最大72時間を要していた手術を、わずか22時間でスムーズに進めることができました。

結合頭モデル

2. 細胞の準備 近年、細胞を3Dプリントして動物の臓器や組織を直接作製する方法など、細胞3Dプリント技術に研究者が大きな注目を寄せ始めています。この技術の利点は、加工工程を精密に制御し、ミクロレベルで細胞の配置を調整することで、個々の細胞の挙動や細胞間（細胞と細胞、細胞と物質）の相互作用を制御し、細胞がさまざまな機能を持つ組織を形成することを促進し、医療手術や術後の回復を容易にすることです。

3Dプリントされた細胞が皮膚のようなシート構造に成長する

3. 組織や臓器の3Dプリント ヒト組織および臓器の代替品は、臨床医学において常に難しい問題でした。多くの患者がこれが原因で命を落としました。さらに、ヒト組織および臓器の代替品は材料に対する要求が非常に高く、実現が困難です。しかし、科学技術の発展により、人間の臓器の3Dプリントが可能になりました。

例：
カリフォルニア大学サンディエゴ校 (UCSD) は、独自に開発したデジタル光処理 (DLP) 3D プリンターを使用して、複雑な血管ネットワークを印刷することに成功しました。このネットワークはマウスに移植された後、マウスの血管系とうまく統合され、正常な機能を示しました。

UCSDチームは3Dプリントを使用して5mmの大きな血管ネットワークを作成

さらに、3D技術は、新薬の試験のために人間の肝臓、腎臓、特定の細胞組織を印刷するのにも使用できます。薬物に対する人体の反応を真にシミュレートして正確な試験結果を得ることができるだけでなく、新薬の研究開発コストを大幅に削減することもできます。

4. 3Dプリントインプラント
3D プリント技術は整形外科用インプラントの製造に使用され、カスタマイズおよび小ロットのインプラントの製造コストを効果的に削減できます。また、このようなインプラントは人体によりよく統合され、患者の治療結果を改善できます。近年、医療業界では医療用インプラントの設計と製造に金属 3D プリント技術を採用するケースが増えています。

例：
オーストラリア連邦科学産業研究機構（CSIRO）、メルボルンの医療インプラント会社アナトミクス、英国の医師らが協力し、61歳の英国人患者エドワード・エバンス氏に3Dプリントしたチタンポリマー胸骨インプラント手術を実施した。これも世界初となる。これまで、このようなインプラントは一般的に純チタンで作られていました。新しい胸骨インプラントは、以前の純チタンインプラントよりも人体の「硬組織と軟組織」の再構築に役立ちます。

3Dプリントで製造されたチタンポリマー胸骨

5. 医薬品の3Dプリント
3Dプリント技術の利点は、複雑な構造を個別に製造できることです。そのため、医薬品の製造に使用すると、投与量、外観、味などの個別カスタマイズを実現できます。同時に、3Dプリントされた「錠剤」は特殊な微細構造を持つことができるため、薬物の放出挙動を改善し、それによって効能を高め、副作用を軽減するのに役立ちます。

例：
アメリカの製薬会社アプレシアは、3Dプリント技術を応用して薬の有効成分と不活性成分を層ごとに配置することに成功し、てんかん治療薬であるスプリタム（化学名：レベチラセタム）という世界初の3Dプリント薬を開発した。薬剤粉末を印刷したこの錠剤は多孔質構造の利点があり、水に触れるとすぐに溶解するため、突然のけいれんに素早く効果的に対処できます。

アプレシアが3Dプリントで製造したSPRITAM（レベチラセタム）錠剤

技術は今後も改善を続け、新素材の分野ではさらなる研究が必要ですが、3D プリンティングが現時点では医薬品製造に実行可能な方法であることは否定できません。しかし、現時点で3Dプリント医薬品にとって最大の課題は、技術そのものではなく、規制環境です。厳格な規制要件なしに医薬品が市場に投入されると、その安全性と有効性を確保することが難しくなります。

新興テクノロジー産業として、3D プリント技術は医療分野に大きな影響を与え、医療とヘルスケアの急速な発展を促進しました。しかし、現時点では医療材料の3Dプリント技術はまだ未熟であり、医療分野での3Dプリントの大規模な応用を真に実現したいのであれば、まだ長い道のりが残っています。しかし、手順や機械の面で 3D プリント技術が急速に発展するにつれて、チャンスも生まれると信じています。

出典: 医療用3Dプリンティングイノベーション研究センター

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