【分析】生体適合性材料に基づく3Dプリント骨修復技術の研究と応用

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-6 16:15 に最後に編集されました。

骨修復手術は、外傷、腫瘍、先天性奇形などによって引き起こされた骨組織の欠損を修復することを目的としています。この種の手術はかつては非常に難しい外科手術であり、骨修復材料が決定的な役割を果たしていました。医療技術の急速な発展に伴い、骨修復材料は徐々に自家骨や同種骨から人工骨に移行してきましたが、従来の人工骨は個人に合わせた処理が難しいだけでなく、拒絶反応の問題も引き起こす可能性があります。
近年、3Dプリント技術は臨床医学で広く利用されており、この新技術により生体適合性のある人工骨材料が骨の修復に利用されるようになりました。従来の製造方法とは異なり、3Dプリントで製造された製品は、金型の脱型による影響を受けません。製品構造は、多孔性、不規則な表面、閉じた介在物などの特性を持つことができ、患者の骨の元の形状を最大限に復元できます。さらに、生体適合性材料を組み合わせることで、材料拒絶反応による人体へのダメージを軽減することができます。 3Dプリント技術は、骨修復の治療コストを効果的に削減し、治療の成功率を大幅に向上させることができ、骨修復手術と派生骨組織培養技術の技術革命をリードする上で大きな意義を持っています。

1. 生体適合性材料<br /> 国際的には、パーソナライズされた組織工学スキャフォールドや骨人工インプラントの製造のための3Dプリント技術の研究と応用が数多く行われています。材料は主に金属材料と非金属材料に分けられます。この記事で説明した生体適合性材料は患者の体と適切に反応し、バランスが取れるまで、または生体適合性材料が劣化して徐々に消失するまで、両者は互いに影響を及ぼします。現在、これらの材料のほとんどは、医療用ポリマー材料やバイオセラミック材料などの非金属材料です。

1.1 医療用ポリマー材料<br /> ポリマー材料は、3Dプリントにおいて最も重要な材料の1つです。その中でも、生体適合性医療用ポリマー材料は、その分解性に応じて、分解性ポリマー材料と非分解性ポリマー材料に分けられます。どちらも生体適合性がありますが、用途はまったく異なります。現在、3D プリント技術で使用できる生分解性ポリマー材料には、ポリグリコール酸 (PGA)、ポリ乳酸 (PLA)、ポリカプロラクトン (PCL)、グリコリド-ラクチド共重合体 (PLGA) などがあります。 PLA は、多くのデスクトップ 3D プリンターで最も広く使用されている素材です。優れた生分解性があり、最終的な分解生成物は水と CO2 のみです。また、最も早く研究された分解性医療素材の 1 つでもあります。しかし、PLA の欠点は、強度が低い、吸水性が強い、耐熱性が低いことです。骨の修復には、3D プリントで製造された骨のスキャフォールドを外科的に患者の体内に移植します。しかし、骨のスキャフォールドは劣化が早すぎるため、完全に治癒する前に劣化してしまいます。そのため、PLA は骨の修復手術において一定の欠点があります。

PCL は比較的最近研究が進められている生分解性医療材料の一つで、分子鎖構造中の C-O 結合と C-C 結合が自由に回転できるため、マクロスケールでの柔軟性と加工性に優れています。しかし、PCL には生物学的機能分子や細胞が認識するための官能基がないため、生体医療材料としてその表面で細胞の成長を促進するものではありません。そのため、PCL の改良に焦点を当てた研究が数多く行われ、臨床試験に活用できる成果が数多く得られています。韓国は、リン酸三カルシウム（TCP）と組み合わせたPCL改質材料を開発した。骨再生を促進し、分解も可能なTCPの特性とPCL自体の利点を組み合わせ、3Dプリント骨修復材料として実験者の体内に移植することに成功し、段階的な成果を達成した。図 1 は、メルトジェッティングプロセスを使用した 3D プリントによって製造された PCL 骨スキャフォールドを示しています。
Cai らは、電子ジェットプロセスを使用して PCL 骨組織スキャフォールドを印刷し、材料の表面処理を行って材料を親水性にすることで、軟骨細胞の付着を促進し、軟骨再生を加速しました。 Lam らはまた、メルトジェッティングプロセスを使用して、PCL を原料として骨と軟骨組織の複合スキャフォールド構造を印刷し、複合スキャフォールドのさまざまな位置に骨細胞と軟骨細胞を移植して、2 種類の細胞によって分泌される細胞外マトリックスを取得しました。これらの研究は、PCL の欠点を改良によって補い、骨組織スキャフォールドが効果的に新しい組織細胞を培養し、骨修復手術に使用できるようにし、実際の臨床応用価値をもたらしました。生分解性ハイドロゲルは、生体適合性があり、3D プリント可能なポリマー材料です。ハイドロゲル自体は、水分含有量の高い水溶性ポリマー材料です。その生体適合性と機械的特性は、軟骨組織の置換に非常に適しています。

さらに、この材料は栄養素の輸送や代謝物の排泄などの基本的な生物学的機能を備えているため、生分解性ハイドロゲルは、組織工学の足場や制御された薬物放出のためのキャリアの製造にも使用されます。 Tetsuらは、レーザーラピッドプロトタイピングプロセスを使用して、PLAとポリエチレングリコールの混合物を使用してハイドロゲルスキャフォールドを印刷し、それを骨細胞培養スキャフォールドとして使用しました。実験用スキャフォールドは、高い機械的特性と良好な細孔接続性を備えていたため、骨組織細胞は材料上で急速に成長することができ、骨修復手術に使用されました。張仁坤らは3Dプリンターを使用してコラーゲン・ヘパリン硫酸バイオニック脊髄足場を作製し、この材料が優れた生体適合性を持ち、神経幹細胞の増殖と分化を促進し、脊髄損傷の治療のための細胞キャリアを提供できることを実証した。

生体適合性材料は必ずしも完全に分解されて消滅する必要はありません。医療用ポリマーにおける非分解性材料の使用は、骨修復手術に新たな方向性をもたらしました。現在、生体適合性非生分解性ポリマー材料には、ポリ（アリールエーテルケトン）、ポリ（ビニルアルコール）、超高分子量ポリエチレン、およびそれらのナノハイドロキシアパタイトとの複合材料が含まれます。現在、骨修復における非分解性医療用プラスチックに関する研究はほとんどありません。Liu Rui らは、炭素繊維強化ポリアリールエーテルケトンを下顎に移植し、その材料の生体適合性と生体活性を研究しました。最後に、純粋なポリエーテルエーテルケトン樹脂と比較して、炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトンは優れた機械的特性を持つだけでなく、移植後の免疫反応が小さく、生体適合性と生物活性が優れていることがわかりました。あくまで動物実験ではあるが、骨修復手術における非分解性ポリマー材料の可能性を検証するには十分である。

単一の成分または構造を持つ生体材料と比較して、複合生体材料の特性は調整可能です。 3Dプリントを使用して単一のバイオマテリアルで製品を作ることには一定の欠点があるため、2つ以上のバイオマテリアルを有機的に組み合わせます。複合材料のコンポーネントは、性能の相対的な独立性を維持するだけでなく、互いに補完し、構成を最適化し、単一の材料の適用の欠点を大幅に改善します。ただし、物理的および化学的特性に大きな違いがある2つの材料の場合、印刷方法を使用してそれらをうまく統合し、組み合わせの最大の利点を十分に発揮する方法も、現在の研究のホットスポットの1つです。

1.2 バイオセラミック材料<br /> バイオセラミック材料は、生物組織との親和性が優れており、物理的、化学的安定性も良好です。高強度、低密度、耐腐食性を備えたこれらのバイオセラミックスの一部は、医療用骨代替物や補助足場としてよく使用されます。バイオセラミックスの医療への応用は18世紀初頭にまで遡りますが、素材自体が硬くて脆いため加工が難しく、医療費が高く普及が困難でした。 3D プリント技術の発展と成熟により、一部のバイオセラミックスは 3D プリントで処理できるようになり、成形サイクルとコストが削減されるだけでなく、製品構造の複雑さも大幅に改善されます。これまで、バイオセラミックスの応用は、主に歯や骨締結ボルトなどの単純で小さな部品に集中していましたが、3Dプリント技術によってもたらされた変化により、バイオセラミック材料は、下顎骨、股関節、大腿骨などの複雑で大きな骨の置換に広く使用されるようになりました。バイオセラミック材料は主に形成外科、歯科、脊椎外科で使用されており、非常に有望な骨修復材料です。

現在、主なバイオセラミック材料としては、リン酸カルシウム、二相性リン酸カルシウム、ケイ酸カルシウム/β-リン酸三カルシウムなどがあります。バイオセラミックスは、骨代替物の製造に使用されるだけでなく、3D プリントによる骨組織の足場の製造にも使用できます。その中で、ハイドロキシアパタイト製の足場は神経鞘幹細胞の骨細胞への分化を促進することができ、二相性リン酸カルシウム足場中のβ-リン酸三カルシウムは細胞の骨分化を促進する効果があり、ケイ酸カルシウム/β-リン酸三カルシウム足場中のケイ素の放出は骨様細胞による骨因子の形成を促進するのに有益であり、それによって細胞の骨分化を促進する。多数の研究文献から、バイオセラミック材料は一般に海綿骨と非常に類似した圧縮強度と骨誘導性を有することがわかります。しかし、バイオセラミック材料は3Dプリントされるため、高温環境で処理する必要があります。成形品に処理中に活性コーティングや生物学的薬剤を塗布すると、高温により活性が失われます。もう一つの欠点は、一般的なバイオセラミック材料は機械的に脆く、せん断抵抗が低いため、現在でも硬組織には 3D プリントされたバイオセラミックスキャフォールドが使用されていることです。

メルトジェット3Dプリント技術の初期には、ケイ酸カルシウム/β-リン酸三カルシウムは液化後に固化する能力がなく、水と混合すると噴霧効果に影響を与える小さな粒子が現れ、このバイオセラミック材料をメルトジェット3Dプリントに適用することは困難でした。袁静らは、一定濃度のクエン酸をβ-リン酸三カルシウムと混合し、特定の温度でβ-リン酸三カルシウムが均一なチューインガムのようなスプレー状態に変換され、それ自体が凝固することを発見しました。これにより、β-リン酸三カルシウムはメルトジェット3Dプリントの基板となり、骨組織スキャフォールドの3Dプリント製造に先駆的な貢献をしました。その後、バイオセラミックスを他の3Dプリント技術に応用する研究が数多く行われてきました。黄志宏らは、感光性樹脂の選択硬化（SLA）、粉末材料の選択焼結（SLS）、フィラメント材料の選択溶融（FDM）、箔積層製造（LOM）などの3D技術を使用して、ハイドロキシアパタイトまたはリン酸三カルシウムを使用して人工骨を製造しました。この材料に対するさまざまな3Dプリント技術の成形プロセスの違いを比較した結果、SLSは骨組織スキャフォールドの製造に適しており、FDMは低コストの代替人工骨の製造に合理的であるという結論に達しました。

2. 3Dバイオプリンティング骨修復技術の応用
3D プリントは現在、医療分野で広く使用されており、いくつかの手術、特に整形外科手術の発展を大きく促進しています。骨の修復における応用は、主に次の 3 つの状況に集中しています。
（１）欠陥部分を補うために比例人工骨を直接印刷する。
（２）矯正、補助、観察のための手術補助模型の印刷
（３）骨組織工学バイオスキャフォールドの作製

これら3つの状況は、基本的に骨修復の主な方法を網羅しており、3Dプリント技術の普及と生体適合性材料の研究の恩恵を受けています。新技術の発展に伴い、新しい用途が徐々に増加し、骨修復の臨床医学に広範囲にわたる影響をもたらします。骨の修復における 3D バイオプリンティングの最も直接的な応用は、欠陥のある部分を置き換えるために比例した人工骨を印刷することです。張宇氏らは、人間の内足首の骨の螺旋断層撮影を行い、スキャンデータを3Dモデルに変換し、3Dプリンターを使用してパーソナライズされた方法で印刷し、内部に閉鎖セル構造を持つ脛骨人工関節を得た。アメリカのOPM社も、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）を印刷材料として使用し、患者の頭蓋骨の75％を3Dプリントした人工器官に置き換えました。この非常に困難な成功事例は、頭蓋骨修復の大きな参考価値を提供します。

骨腫瘍の治療中、医療スタッフは3Dプリント技術を使用して、患者のCT値に基づいて腫瘍の形状をプリントアウトし、手術前に腫瘍の境界をより直感的に観察して手術計画を立てることができます。さらに、プリントされたモデルに基づいて手術をシミュレーションすることもできます。これにより、正確な腫瘍除去と骨関節の再建のための正確なデータが提供され、手術リスクが大幅に軽減され、治療効果が向上します。同時に、3Dプリントには生体適合性材料が使用され、プリントされた骨と関節の置換物が患者の体内に埋め込まれ、患者の骨の欠損を正確に修復し、その後の合併症を減らし、治療の成功率を向上させます。また、近年、3Dプリントされた生体適合性人工骨を使用して欠陥のある骨を完全に置き換えるという研究と予備応用の段階はまだありますが、生体適合性材料で作られた足場や細胞で直接プリントされた足場に生理活性物質をコーティングする多くの成功事例は、大きな将来性があることを裏付けています。

3D プリント技術の独自の利点により、これを骨の修復に適用することは、非常に高い研究価値と大きな市場の可能性を秘めています。臨床医学で使用できる生体適合性材料は多くありませんが、現在使用されている生体適合性材料は骨修復手術に大きな進歩をもたらしました。骨代替物の拒絶反応を解決し、骨組織の足場として準備して骨細胞や幹細胞をうまく培養することができます。人工骨材料は、化学的性質や生理学的機能を人間の骨に近づけるだけでなく、適切な3Dプリント成形技術を組み合わせることで、一般的な加工方法では実現が難しい優れた機械的性質や特殊な構造も備えています。したがって、3Dプリント技術と生体適合性材料を組み合わせた研究に重点を置くことで、骨修復のより効果的で広範な臨床応用を実現し、人々の健康的な生活に利益をもたらすことができます。

編集者: Antarctic Bear さらに読む:
魏燕、清華フロンティアポリマー研究センター：組織工学と 3D プリントのための天然バイオマテリアル

【分析】生体適合性材料に基づく3Dプリント骨修復技術の研究と応用

GE Additive の金属 3D プリント技術が新たな受注を獲得!今回はICDアプライドテクノロジーズ

家具業界は大騒ぎ、3Dプリントのテーブルや椅子を発売した人もいる

重慶大学の Chen Zhaohui 氏と Zhang Zhigang 氏のチーム: コンクリート構造物の 3D プリント: 最先端の技術、課題、そして機会!

レニショーは 3D プリントを使用してセーリングのチャンピオンシップ優勝に貢献しましたが、今度はプロのオートバイのチャンピオンシップ優勝にも貢献しています。何が起きているのでしょう! ！

日本の電子商取引大手DMM.comが顧客の3Dプリントプロセスを簡素化するためにAMFGを選択

NREL が持続可能な海洋エネルギー技術を実証: 3D プリントされた金属製潮力風力タービンのスパーの実現可能性

月へ向かう：ランボルギーニが3Dプリントされた宇宙の鍵で夢の世界NFTに参入

3Dスキャンから3Dプリントまでワンストップで革新的な教育ソリューションを提供するShining 3Dのセミナーが大盛況のうちに終了しました

世界の3D大手がミュンヘンに集結し、積層造形エコシステムを構築

「3Dプリント技術＋医療」が実用化を加速！それはどんな利益をもたらすでしょうか?

推薦する

3Dプリント技術がミニチュア心臓の作製に役立ち、心臓病の治療を早める

プロドウェイズの新しい歯科用3Dプリンターは、わずか0.8平方メートルのスペースしか占有せず、1時間で38個の歯列弓を印刷できます。

研究者らがモジュール式3Dプリント複合中空梁を設計

Ultimaker Factor 4 の革新的な機能: 印刷プロセスレポート

CES 2018 ベストイノベーションアワードが発表され、5軸 FDM 3D プリンターが選出されました

（複数の画像）3Dプリント家具、未来の高速で環境に優しい家具

3Dプリントモデルは台湾の医師が複雑な顔面手術をより迅速かつ安全に行うのに役立っている

杭州・シャイニング3Dが3Dプリントデジタル医療ソリューションに関するセミナーを成功裏に開催

華樹職人│劉曦：ポストプロセスを極限まで高める

シーメンスは付加製造技術でグリーン開発を加速

米陸軍研究所は原子を使ってナノ材料を研究し、防弾チョッキを3Dプリントする計画を立てている

ロシアは宇宙炭素繊維3Dプリント技術を研究して宇宙ステーションの建設に貢献したいと考えている

Electronic Alchemy が NASA 向けにマルチマテリアルエレクトロニクス 3D プリンターを開発

第4回航空宇宙積層造形カンファレンスが上海で成功裏に開催されました

ミシガン大学は、既存の機械式3Dプリントの速度を2倍にするソフトウェアを開発