バイオメディカル材料と3Dプリント技術の完璧な組み合わせ

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-8 12:55 に最後に編集されました。

生体医療材料とは、生体組織に悪影響を与えることなく、医療目的で生体内に埋め込んだり、生体組織と組み合わせたりできる材料を指します。ラピッドプロトタイピング技術の一種である 3D 印刷技術は、デジタルモデルファイルに基づいており、機械製造と材料科学を組み合わせて、材料を液体または気体の状態で目的の構造に直接固化できるようにします。臨床医学研究者は、3Dプリント技術を使用して、さまざまな患者のニーズに応じて、さまざまな患者に適したパーソナライズされたバイオメディカルバイオマテリアルを迅速かつ正確に印刷できます。同時に、材料の微細構造を正確に制御することもできます。そのため、3Dプリント技術と組み合わせたこの新興バイオメディカル材料の開発は、将来バイオメディカル分野でより広く使用され、発展していくでしょう。

新しいものとして、3Dプリント技術は「第三次産業革命の重要な象徴の一つ」として歓迎されています。この技術は産業革命的な意義を持つハイテク製造技術であり、世界の製造業の発展における新たな潮流を表しています。製品の設計から製造までの距離は「印刷」ボタンの距離だけになります。 2012年8月、オバマ米大統領はオハイオ州に国立3Dプリンティング研究センターを設立するために3,000万ドルを割り当て、「米国製造業活性化計画」を開始した。多くの専門家やメディアも、3Dプリンティング業界が将来性豊かな次世代産業になると楽観視しています。
バイオメディカルにおける3Dプリンティング
バイオメディカルにおける 3D プリントの応用は、主に医療モデルの迅速な構築、組織および臓器の代替品の製造、顔の修正と美容という 3 つの側面に反映されています。

医療モデルの迅速な構築<br /> 医療用小道具、模型、消耗品、その他の材料は 3D プリントを通じて入手できます。 3D プリント技術を使用すると、コンピューター画像データ情報を物理的な構造に変換し、医療教育や手術シミュレーションに使用することができます。従来の医療教育用模型の製造方法では、時間がかかり、輸送中に破損しやすいという問題がありました。3Dプリント技術を使用すると、製造時間を効果的に短縮し、必要に応じていつでも作成でき、輸送中の破損のリスクを軽減できます。米国の病院では、頭部分離手術を行う前に、3Dプリンターを使って結合児の頭部の模型を作成し、手術計画の徹底的な調査と分析を行ったと報じられている。同様の手術にかかる通常の72時間を22時間に短縮した。

現在、3Dプリントされた医療モデルは優れた技術サポートを獲得しており、一定の印刷速度を持ち、さまざまな材料を使用して印刷でき、応用度が高く、応用の見通しも良好です。

組織および臓器の代替品の製造<br /> 人間の組織や臓器の代替品に対する材料要件は非常に高く、達成が困難です。しかし、すでに人間の骨のクローン作成や義肢の製作など、いくつかの成功例もある[5]。たとえば、人体の骨が欠損または損傷しており、交換する必要がある場合、まず対称的な骨をスキャンし、コンピューターグラフィックを形成して対称変換を実行し、対応する骨を印刷して生成することができます。この技術は、従来の方法と比較して、最初に型を作る必要がなく、直接印刷でき、構築速度が速くなります。

この技術は歯科インプラントや骨移植などに応用できる[6,7]。一方、小型の人間の肝臓の製造にも成功している。ドイツの研究者らは、3Dプリンターなどの関連技術を活用して、人体と一体化できる柔軟な人工血管を作製し、同時に人体による血管の拒絶反応を防ぐという問題を解決した。この技術の継続的な進歩とその徹底的な応用は、人工臓器の不足が直面する現在および将来の困難を解決するのに役立つでしょう。

フェイシャルレタッチと美容<br /> 3Dプリント技術を使用して、耳、鼻、皮膚、歯などの顔の損傷した組織を製造することにより[8,9]、患者に正確に一致する対応する組織を取得し、患者の頭部を再形成し、完全な美的効果を達成することができます。まず、顔をスキャンして3Dコンピューターデータを作成し、医師は患者の失われた部分を作成し、元の外観を復元することができます。この方法は従来の技術に比べて精度が高く、材料の選択肢も広がります。顔の左半分に腫瘍があった患者が、腫瘍を除去する手術を受けた後、大きな穴が残ってしまったと報じられた。医師たちは3Dプリント技術を使って患者の義顔を作成した。製作過程では、まず患者の頭蓋骨と顔をフルスキャンし、その結果に基づいて元の顔の3次元画像を分析・確立し、実際の物体をプリントアウトし、特殊な材料を使用することで、顔にぴったりフィットし、本物そっくりの偽の顔をプリントアウトします。

3D プリント技術は医療機器製造の分野ではまだ新しい技術であり、多くの課題が残っています。
（1）整形外科用インプラントにおける3Dプリント技術の応用はまだ未熟です。最も成熟したEBM技術においても、電子ビームと粉末の相互作用、変形と残留応力の制御、表面粗さ、内部構造欠陥の制御など、重要な技術的課題と安定性は依然として改善が必要です。

（2）「印刷材料」の研究開発は開発の難関である。現在、整形外科用機器の分野で一般的に使用されている金属材料はチタン合金粉末である。粒度分布、嵩密度、酸素含有量、流動性などの材料特性の影響により、他の金属材料やポリマー材料の印刷技術はまだ実験段階にある。活性印刷材料の場合、細胞の活性とその機能をどのように維持するかという研究が依然としてボトルネック技術となっている。

（３）精度と効率の両面をさらに向上させる必要がある。 3Dプリントの精度は、設備の能力、印刷材料の特性、印刷プロセスのレベルなど、多くの要因によって制限されます。現在、国内の3Dプリントでは高精度部品の直接成形を実現することは難しく、他の後続処理技術の補完と協力が必要です。精度と効率をさらに向上させることが特に重要です。

（4）異なる特性と機能を持つ材料の複合印刷技術には、特に整形外科用機器の分野ではまだブレークスルーの余地があります。例えば、金属とセラミックスの複合印刷、金属またはセラミックスとポリマー材料の複合印刷、軟組織と硬組織の複合印刷、細胞レベルで異なる機能を持つ活性組織の印刷などです。

（５）投資コストが高い。 3Dプリント設備の価格が高いこと、プリント材料の供給元が単一であること、プロセス技術の導入が難しいこと、効率と精度が低いこと、日常のメンテナンス費用が高いことなど、多くの要因が、現段階では投資額が高く生産量が低いことにつながっています。産業チェーンを発展させ、プロジェクトへの特別な支援を得ることが急務です。

しかし、3D プリント技術がサポートする材料の数が増え、印刷品質が向上するにつれて、その応用レベルはさらに向上し、その活用の余地は確実に広がるでしょう。

編集者: Antarctic Bear 著者: Chen Xianming Lu Guoying 所属: Hangzhou Xinya Dental Materials Co., Ltd.

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