[分析] 胸部・心臓血管外科における3Dプリント技術の研究の進歩

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-8-31 15:38 に最後に編集されました。

整形外科、歯科などにおける 3D プリント技術の急速な発展は、他の専門分野での研究と探究も促進しました。近年、3D プリント技術は気管、食道、心臓弁の構築において一定の成果を上げており、胸部および心臓血管外科への応用が広がっています。概要 2009 年に米国材料試験協会 (ASTM) によって設立された 3D 印刷技術委員会 (F42 委員会) によって公開された定義によると、3D 印刷とは、3 次元デジタルモデルに基づいて、通常は従来の材料除去処理方法とは対照的に、層ごとに材料を組み合わせる製造方法を指します。これらのシステムは、X、Y、Z に基づいた 3 次元空間に構築されます。プリンターのノズルは水平方向だけでなく垂直方向にも移動できるため、追加された材料を層ごとに印刷して 3D 構造を形成することができます。印刷された製品モデルは主にコンピュータ支援設計によって設計され、CTイメージング技術によって実現することもできます。その後、必要に応じてパラメータを調整し、3Dプリンターに送信します。 3D 印刷技術は、その動作原理に基づいて、主にインクジェット印刷、レーザー印刷、押し出し印刷の 3 つのカテゴリに分類できます。
他の従来の技術と比較した場合、3D プリント技術の主な利点は次のとおりです。
（１）高い印刷精度
（２）細胞とその支持材料を同時に印刷することができる。
（３）施工スピードが速く、生産サイクルが短い
（４）個別化医療の実現に向けたオンデマンド生産
（５）移植拒絶の問題を解決できる。
3D プリント技術のこれらの利点により、医療においてより有効に活用できるようになります。心臓胸部外科への応用

1. 気管<br /> 気管欠損は主に狭窄、感染、外傷、腫瘍などが原因で起こります。外科的切除と直接末端吻合が標準的な外科的治療として認識されています。ただし、欠損が成人の場合は気管全長の 50% を超える場合、または小児の場合は 30% を超える場合は、気管代替物による気管再建が必要になります。気管再建用ステントは、その内腔輪郭を維持するために適切な形状と強度を有する必要があるだけでなく、呼吸上皮と血管の再建のための環境サポートも提供する必要があります。天然由来のスキャフォールドと人工的に合成されたスキャフォールドにはどちらも一定の限界があるため、3D プリントされたスキャフォールドが誕生しました。

Changらは、3Dプリントされたポリカプロラクトンステントを使用してウサギの気管の再建に成功しました。研究者らはウサギの大腿骨と脛骨から骨髄間葉系幹細胞を採取し、培養後に細胞を遠心分離し、ヒトフィブリノーゲンを含む溶液に再懸濁した。骨髄間葉系幹細胞をフィブリンに接種し、足場パッチをウサギの気管欠損部に移植した。実験の結果、細胞生存率は83.6%に達した。ウサギの気管欠損部は、手術後4週間と8週間で正常に再建された。3Dプリントされた気管ステントは正常な気管とうまく融合し、再建された気管を覆う繊毛呼吸上皮は正常なものと違いがなかった。このタイプのステントは気管再建におけるいくつかの問題を解決することが期待されています。

ニューイングランド医学ジャーナルは、3Dプリントされた気管ステントを人体に埋め込む成功した事例を報告した。子供は妊娠35週で生まれ、生後6週目に胸壁陥没と摂食困難を発症した。 2ヵ月後、彼の状態は悪化し、換気を維持するために気管内挿管が必要になりました。健康診断の結果、その子どもは気管軟化症を患っていることが確認された。子どもの気道をCTスキャンした後、コンピュータ支援設計とレーザー焼結3Dプリント技術を使用して気管ステントが作られ、体内に埋め込まれた。手術の7日後に機械的人工呼吸器は徐々に取り外され、21日後には人工呼吸器のサポートが中止されました。手術の1年後、画像検査と内視鏡検査の両方で左主気管支が適切に再建されていることが示されました。ウサギの実験から個々の成功例の報告まで、すべてが 3D プリントされたステントを使用した気管再建の良好な見通しを示しています。

2. 食道 食道がんは世界で6番目に多いがんであり、男性の死亡原因の第5位です。私の国も食道がんの発生率が高い国です。胃腸内視鏡検査は食道がんの診断と治療のための主な検査手段です。しかし、食道腫瘍の種類によっては、あまりに単純な内視鏡キャップでは病変部位に到達できないこともあり、3Dプリントではさまざまな病変に応じた特殊な内視鏡キャップを印刷することができます。さらに嬉しいのは、複雑な解剖学的領域での食道がん手術では、手術前に3Dプリントモデルを通じて具体的な手術計画を立てることができ、手術の成功率が向上することです。

Ko らはシリコンを材料として 3D プリンターを使用し、さまざまな病状のさまざまな患者の病変部位に応じて特定の内視鏡キャップを印刷しました。これは従来の内視鏡に比べて大きな改善点であり、主に次の点が挙げられます。

（１）食道上皮下腫瘍の粘膜切除に用いられるサイドホールキャップ。
（２）胃上皮腫瘍の粘膜下層剥離に用いられる斜頭キャップ。
（３）食道上皮下腫瘍のTrucut生検および診断に使用されるワイドヘッドキャップ。
（4）アカラシアの内視鏡的筋層切開術に使用する細いヘッドキャップ。
彼らはこれを臨床現場でも使用しており、手術後の患者に合併症は見られなかった。ディキンソン氏らは2006年以来、3Dプリントを使用して160個のモデルを制作してきました。 CTスキャン画像フィルムを撮影した後、食道やその他の画像の解剖学的位置に応じて、コンピュータ支援設計によってさまざまな構造が異なる色でマークされます。これにより、病変のある食道が強調され、周囲の組織から分離できるようになります。これらのモデルを確立することで、特に複雑な症例において詳細な術前計画を策定し、治療の個別化を強化することができます。

3. 心臓弁 心臓弁膜症は公衆衛生に深刻な影響を及ぼし、増加傾向にある疾患です。西洋諸国では、弁膜症または弁機能不全の患者は全人口の 2.5% を占めていますが、発展途上国では、弁膜症に苦しむ若者が増えており、低年齢化の傾向が見られます。現在、弁膜症の主な治療法は弁置換術であり、臨床で使用される弁代替物としては主に機械弁と生体弁があります。機械弁は通常、若い患者に使用されます。機械弁は機械的特性が強く、耐用年数が長いですが、長期の抗凝固療法が必要です。対照的に、生体弁は抗凝固療法を必要としませんが、耐久性がないため、通常は高齢の患者に使用されます。

機械弁と生体弁には欠点があるため、研究者たちはより理想的な心臓弁の代替品を探し求めてきましたが、組織工学による心臓弁が希望をもたらしました。生体臓器として、組織工学心臓弁の成長、修復、再構築能力は通常の人間の弁と非常に類似しており、人体に移植された後の機械弁や生体弁の欠点や欠陥を回避できます。特に、3D プリント技術が研究のホットスポットになってからは、組織工学による心臓弁の開発が進みました。 Duan らは、3D バイオプリンティング技術を使用して、複雑な解剖学的構造を持つ大動脈弁を印刷しました。大動脈洞平滑筋細胞と大動脈弁尖間質細胞がアルギン酸/ゼラチンステントに埋め込まれました。培養7日後、2種類の細胞は高い活性を示し、生存率はそれぞれ（81.4±3.4）％と（83.2±4.0）％でした。また、SMCはα平滑筋アクチンを高発現し、VICはビメンチンを高発現していることもわかりました。 Hoccaday らは、アルギン酸含有ポリエチレングリコールジアクリレートハイドロゲルを使用して、内径がそれぞれ 12、17、22 mm の 3 つのサイズの大動脈弁を印刷することに成功し、ステント内にブタ大動脈弁間質細胞を移植して 21 日間培養しました。

実験により、これらの弁ステントは弾性の範囲が広く、製造時間も異なることが判明しました。さらに興味深いのは、弁の内径が大きいほど、その形態学的忠実度が高くなることです。さらに、21日間の培養後、移植された豚大動脈弁間質細胞の生存率はほぼ100％でした。実験により、3D プリント技術は、正確な解剖学的構造を維持しながら、機械的特性と細胞の適合性も維持することが示されました。偶然にも、三尖弁の印刷の成功は、3D の大きな可能性を改めて証明しました。 Duanらは、メチルアクリレート架橋ヒアルロン酸とメチルアクリレート架橋ゼラチンを使用して混合ハイドロゲル足場を確立し、ヒト大動脈弁間質細胞を移植した後、三尖弁を印刷することに成功しました。研究では、Me-Gel の濃度を高めると硬度が低下して粘度が上昇し、細胞増殖が促進され、大動脈弁間質細胞の線維芽細胞表現型がよりよく維持されること、Me-HA と Me-Gel の相対濃度が印刷の精度に影響を与えること、バイオプリントされた心臓弁に埋め込まれた VIC は高い活力を維持し、コラーゲンとムコ多糖類を沈着させることで元のマトリックスを変化させることができることが分かりました。

3Dプリント心臓弁の成功は、生体心臓弁置換のための組織工学の発展を促進し、同時に生体内モデル設計に関する学者の研究と弁膜疾患のメカニズムのさらなる探究を促進しました。議論と展望新興技術として、3D プリンティングは大きな可能性を示しており、幅広い注目を集めています。約20年の開発を経て、大きな進歩を遂げ、臨床医学の多くの分野に浸透し、医療と健康の急速な発展を促進しました。

現在、3Dプリント技術は、構築速度が速い、オンデマンド生産により個別化医療のニーズに対応できる、拒絶反応が少ないなどの利点を実証しているが、バイオメカニクスの維持、足場材料の選択、無菌環境の保証、プリント構造の成形、血液供給、長期生存など、大きな課題と問題にも直面している。同時に、高コスト、技術者不足、3Dプリンターの安全性の問題が、中国における3Dプリント技術の発展と臨床応用を妨げている。しかし、現代医学と複数の分野との交差と相互補完により、3Dプリント技術は今後も進歩と改善を続け、医療分野におけるその応用範囲はますます広がっていくでしょう。 3Dプリント技術と伝統的な医療技術の組み合わせを強化して、互いの利点を補完します。3D細胞プリント技術と生物組織培養技術の組み合わせを強化して、複雑な組織や臓器のカスタマイズを実現します。近い将来、3Dプリント技術は人々により良い医療サービスを提供できると信じています。
編集者: Antarctic Bear 著者: Shan Yibo、Wang Yao、Shi Hongcan

[分析] 胸部・心臓血管外科における3Dプリント技術の研究の進歩

色褪せない色：研究者が蝶の羽にヒントを得たフルカラースペクトルを3Dプリント

ScanTechがKSCAN複合3Dスキャナーをリリース

ダイムラーバスと3Dシステムズが協力してスペアパーツの生産を分散化し、納期を最大75%短縮

バイオメディカル用途向けバルク金属ガラスのレーザーベースの付加製造

1398元の3DプリンターがJD.comで33万元を調達し、目標を完璧に達成

新しい木材3Dプリント素材は、自己組み立て式のフラットパック家具の製造に使用できます

嘉源と英創が共同で「不動産産業4.0時代」を切り開く

3Dプリント技術が2016年夏季ダボスフォーラムで話題に

NanoSteelの新しい3Dプリント鋼粉末：高硬度と優れた延性、工具鋼の代替が可能

適応グリッド法に基づく選択的レーザー溶融プロセスにおける温度場効果の解析

推薦する

オーストラリアの大学が3Dプリント技術を使って精巧な中空のチタン製笏を製作

ローランドが11万ドルの新型歯科用3Dプリンターを発売

ドイツで初の3Dプリント量産航空材料パイロット工場が稼働開始

新技術：3D積層成形により、3Dプリント後の銅の電気伝導性と熱伝導性をより良く維持できる

国内初の3Dプリント地震観測井戸が建設された

ガートナーの予測: 2019年には先進国の人口の10%が3Dプリンターに囲まれることになる

2016年の3Dプリンティング - 過去から学び、新しいものを適用する

江蘇省中国タバコ南京タバコ工場が3Dプリントで新たな成果を達成

多軸積層造形におけるトラス構造と造形方向の協調最適化に関する研究

シコルスキーは3Dプリントを活用して次世代陸軍ヘリコプター競争で優位に立つ

3D プリントされた心臓と肺の臓器モデルは、本物の臓器のように鼓動し、出血し、呼吸します。

PolymakerとINTAMSYSが産業用FDM 3Dプリントソリューションの開発で提携

3D プリント製品の表面粗さソリューションについてどれくらいご存知ですか?

NIARは付加製造と自動化複合技術で大きな進歩を遂げている

3DプリントがC919の「国産心臓部」の構築に貢献、CJ-1000Aエンジンは2022年にC919に搭載される予定