2017年医療用3Dプリント技術の7分野への応用進捗

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-20 13:27 に最後に編集されました。

製薬・生物学業界は現在、3D プリンティング技術が最も急速に拡大している業界です。 3D プリント技術は、医療および生物学業界に、より完全なパーソナライズされたソリューションを提供できます。生物学 3D プリント技術は、再生医療の分野における人工生体組織および臓器の研究を促進します。パーソナライズされたソリューションに関しては、典型的なアプリケーションには、3D 手術事前計画モデル、手術ガイド、3D プリントインプラント、および義肢や補聴器などのリハビリテーション医療機器が含まれます。再生医療の分野では、研究者らは3Dバイオプリンティング技術を使って人工臓器を作製する点で目覚ましい進歩を遂げています。次に、2017 年第 1 四半期の医療用 3D プリント技術の最新動向を次の 7 つの分野に分けて見てみましょう。

1. 手術計画モデル

リスクが高く困難な手術の場合、術前の計画が非常に重要です。従来、CT や磁気共鳴画像 (MRI) などの画像装置を通じて患者のデータを取得することが、医師が手術を事前に計画するための基礎となっていますが、取得される医療画像は 2 次元であるため、2 次元データを現実的な 3 次元データに変換するソフトウェアが必要になります。 3D プリンターは 3 次元モデルを直接印刷できるため、医師が正確な手術計画を立て、手術の成功率を向上させるのに役立つだけでなく、手術計画に関する医師と患者間の直感的なコミュニケーションも促進します。さらに、治療が失敗した場合でも、3D プリントは医師と患者の両方に追跡可能な証拠を提供できます。

世界初の複合現実支援乳房再建手術が完了
2017年3月、湖南癌病院の医師らは手術中に患者の3次元画像情報を入力したHoloLensメガネを装着し、術前の3D血管データを使用して、自由移植用の22cm×14cmの内側大腿骨穿通枝皮弁を正確に設計し、一段階で乳房を再建しました。手術は6時間で安全かつスムーズに完了しました。

腫瘍手術用の3Dプリント肝臓モデルは、150ドル未満で購入でき、より普及すると予想される。

3月初旬、ポーランドのクラクフの医療チームは肝臓や内循環器系内の腫瘍を実証し、外科医が直面する可能性のあるさまざまな問題に関する参考資料を提供した。研究者らは、52歳の女性患者の肝臓をサンプルとして使用した。まず、彼女の肝臓のCTスキャンを行い、次にPLAカラー素材を使用した標準的な3Dプリンターを使用して6つの部品を印刷した。次に、「肝実質足場」を構築し、シリコン材料で充填しました。完成したモデルには、肝臓の形状、質量、腫瘍、内部の血管など、肝臓が明確に示されています。合計で約 160 時間かかり、モデルのコストは 150 ドル未満でした。 2015年に日本の筑波大学の研究チームが行った研究と比較すると、この3D肝臓モデルはコストを許容できるレベルに抑え、ほとんどの患者にとって手頃な価格となっています。カスタマイズされた治療計画は、手術の成功率の向上にも役立ちます。

3Dプリントされた心臓モデルがロサンゼルスの赤ちゃんの命を救う

生後18か月のネイト・ヤマネ君の心臓の肺動脈が生命を脅かすほど狭くなり始めたとき、小児心臓専門医のフランク・イング氏は、狭くなったり弱くなったりした動脈の治療に使われる小さな網状のチューブであるステントが必要だと気づいた。病院チームはネイトの心臓CTスキャンのデータを使い、閉塞部分の3Dプリントモデルを作成した。イング博士は、狭くなった動脈の3Dモデルにフィットする特別な小さなステントを作成しました。結果は成功し、ネイトの酸素レベルは一晩で改善しました。

広東省、初の 3D プリント脊椎置換術を完成 南方医科大学第三付属病院（広東整形外科病院）の骨腫瘍チームは脊索腫患者の脊椎の切除と3Dプリント人工椎骨の移植に成功した。これは広東省で完了した初の3Dプリント脊椎置換手術である。パーソナライズされた 3D プリント人工脊椎は、神経の保護と術後の骨の治癒に役立ちます。

2. 手術ガイド

手術ガイドは、手術中に事前に計画された手術計画を正確に実行するのに役立つ補助的な手術ツールです。関節ガイド、脊椎ガイド、口腔インプラントガイド、腫瘍内に内部放射線源粒子を埋め込むための誘導および位置決めガイドなど、多くの分野で使用されています。

マテリアライズ、3Dプリント小児外科用ガイドのFDA認可を取得

これは、先天性の骨疾患や骨損傷のある子どもたちがより良い治療を受けられることを意味します。 3Dプリントガイドは3次元で、患者の骨のスキャンデータに基づいて生成されるため、医師は最も現実的な情報を入手し、より適切に手術を計画することができます。また、製造コストも高くなく、一般の患者でも購入可能です。

3. インプラント 一部のインプラントは鋳造や従来の金属加工法で作られており、最初に型を作る必要がありますが、必要なインプラントが 1 個または少数の場合、1 個あたりの製造コストが高くなることがあります。生体適合性インプラント材料自体の価格が高いことと相まって、整形外科用インプラントの総製造コストは非常に高くなります。複雑な構造を持つ特殊なインプラントは、従来の技術では実現が困難です。整形外科用インプラントの製造に 3D プリント技術を使用すると、カスタマイズされたインプラントや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、複雑な構造のインプラントをより多く生産できるようになります。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 (直接金属レーザー焼結法または電子ビーム溶融法) を採用するケースが増えています。医師とエンジニアの協力により、3D プリント技術を使用して、より高度で高品質なインプラントや義肢を製造することができます。 3D プリント技術により、カスタマイズされたインプラントの提供もスピードアップします。カスタマイズされたインプラントの設計から製造まで、最短で 24 時間以内に完了できます。エンジニアは、病院から提供されたX線、MRI、CTなどの医療画像ファイルを使用して3次元モデルを構築し、インプラントを設計し、最終的に金属3Dプリント装置を使用して設計ファイルを製造します。

OPM の 3D プリント骨インプラントが欧州特許を取得 オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズ（OPM）の「骨置換用カスタムインプラント」は、新興のOsteoFabインプラント製造プロセスを活用します。 OPM は今後、高性能の付加製造プロセスを適用して、カスタムインプラントを 3D プリントし、骨置換手術を実施します。 2011年後半に最初に申請された欧州特許は、2016年12月21日に発効し、2029年8月7日まで有効となる。現在、OPM は 3D プリントされた患者固有のポリマーベースのインプラントに関して FDA 510(k) 承認を取得した最初で唯一の企業です。

オーストラリア、初の3Dプリントチタンポリマー胸骨インプラント手術に成功

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。エヴァンスさんは手術後わずか12日で退院し、現在は急速に回復している。

インド初の3Dプリントチタン椎骨インプラントにより、32歳の女性が再び歩けるようになった

インドのメダンタ・ザ・メディシティ病院の医師らは、脊髄結核を患っていた32歳の女性が再び歩けるよう手助けした。インドでこのような手術が行われるのも今回が初めてだ。女性患者は第一、第二、第三頸椎に重傷を負い、頭蓋骨と下部頸椎の間に骨の支えがなくなった状態だった。医師らは、先進的な金属3Dプリント技術の助けを借りて、チタン製の椎骨を3Dプリントし、それを使って患者の脊椎の損傷部分を置き換え、第1頸椎と第4頸椎の間の隙間を効果的に埋めた。手術は合計10時間続いた。これは世界で3番目の手術でもある。

3Dプリントされた脊椎を持つ最初の患者は、今では車を運転したり自転車に乗ったりできる
2016年6月12日、北京大学第三病院で世界初の3Dプリント脊椎インプラント手術が完了しました。 2017年1月初旬に行われた患者のCTスキャンでは、19センチの3Dプリントインプラントが元の脊椎にしっかりと接続されていることが示された。インプラントと脊椎の接続部分には高密度の影が見られ、骨癒合の兆候が見られた。

鼓楼病院は、翼口蓋神経痛の治療に3Dプリントナビゲーションを初めて導入しました。 南京鼓楼病院のチームは患者の頭蓋骨の薄層CTスキャンを実施し、パーソナライズされた蝶口蓋神経節介入ナビゲーションテンプレートを設計し、3Dプリントしました。手術中、テンプレートを使用して穿刺を目標部位に誘導し、少量の局所麻酔薬で蝶口蓋神経節ブロックを正確に完了しました。ブロックが完了すると、患者はすぐに鼻づまりと目の痛みが大幅に軽減されたことを感じ、左顔の持続的な鈍痛も大幅に改善しました。その後、研究チームはナビゲーションテンプレートを使用して、蝶形骨口蓋神経節のパルス高周波治療を 1 回、ブロック治療を 2 回実施したところ、患者の左顔面の痛みは完全に消失しました。 3D プリントされたパーソナライズされたナビゲーションテンプレートは、手術時間を大幅に短縮し、外科的外傷を軽減するだけでなく、複数の手術を受ける必要がある患者にとっても大きな助けとなります。

4. リハビリテーション医療機器

3Dプリントされたチタン合金のカスタマイズされた航空機部品やパーソナライズされたスーパーカー部品と同様に、義肢や補聴器などのリハビリテーション医療機器も小ロットとカスタマイズされた要件があり、設計が複雑です。従来のCNC工作機械では、加工角度などの制限により実現が難しいことがよくあります。さらに、3D プリント技術を使用してカスタマイズされたリハビリテーション補助具 1 つを製造するコストも大幅に削減されます。

3D プリントされたリハビリテーション医療機器の推進には、データ収集、設計、成形、製品認証における専門的な業務を実行する専門の医療機器サービスプロバイダーの介入が必要です。

史上最小の3Dプリントカスタムチタン補聴器が発売されました

フォナックは、ドイツの3Dプリント企業EnvironTECと提携し、カスタムメイドのチタン製補聴器VirtoB-Titaniumを開発しました。このカスタマイズモデルのハイライトは、シェルと本体部分の両方が3Dプリントされており、シェルは従来の補聴器シェルのアクリルではなく、より軽量で強度の高いチタンで作られていることです。このため、安全性は同等のまま、シェルの厚さは50％（0.2mm）減少しました。 3Dプリント技術により、補聴器のカスタマイズにかかる時間が大幅に短縮されるだけでなく（この装置は1時間で補聴器シェル65個または耳型45個を製造できるとされている）、聴覚障害者の外耳道の形態にさらに正確に適応できるようになります。この技術は、従来の耳型メーカーの技術格差にほとんど影響されません。

5. 歯科における3Dプリントの応用

歯の修復と治療にかかるコストは、歯科医院や技工所が考慮しなければならない重要な要素です。多くの先進的な歯科医院や技工所は、効率性を高めてコストを削減するためにデジタル口腔技術を導入しています。近年、ソフトウェア設計による歯科修復が普及し、多くの歯科医院、歯科技工所、または専門の義歯メーカーが 3D プリント技術を導入しています。 3D プリントと組み合わせたデジタル歯科技術により、標準化された生産チェーンと一致する高精度、低コスト、高効率の歯科データが歯科業界にもたらされました。

多くの歯科医院や歯科技工所では、患者の歯の模型を作成するために 3D プリンターを使用しています。モデルの作成に必要な 3D データは、口腔内を直接スキャンすることによって収集できます (口腔内の全体のスキャンには約 2 分かかります)。または、従来の物理モデルを間接的にスキャンすることによって収集できます。歯科用 3D モデルは、従来の方法によるクラウンや義歯などの製造を支援するための型として使用できます。もう 1 つの機能は、整形外科手術や腫瘍手術で使用される 3D モデルに似ており、手術プロセスをシミュレートして計画したり、手術プロセスを患者に伝えたりすることです。

義歯の直接3Dプリントも可能になりました。 Envision TEC はすでに米国食品医薬品局 (FDA) の承認を受けた印刷材料を持っており、これらの 3D 材料は仮歯冠の印刷に直接使用できます。患者はこの仮歯を最長 5 年間装着することができます。多くの専門家は、2020年までにほとんどの歯科医が徐々に3Dプリントクラウンを使い始めると予測しています。これにより、歯科技工所での高度な専門的製造が不要になり、患者のさまざまなクラウンのニーズも満たすようになります。

さらに、3Dプリント技術を使用して製造された歯科矯正器具も実用化されています。従来の歯科矯正器具と比較して、3D プリントされた透明な歯科矯正器具は、目立たず美しいだけでなく、矯正期間の各段階で患者の歯の状態に適したサイズになっています。調整を歯科医の経験に頼る従来の方法と比較して、この矯正技術にはより多くの利点があります。海外では、ClearCorrect が Stratasys の 3D 印刷装置と材料を使用して透明なアライナーを製造しています。中国にはAngelalignのような目に見えない矯正器具のブランドもあります。

金属クラウン、固定ブリッジ、その他の修復物の製造に 3D プリント技術を使用することも、歯科業界で使用されている技術となっています。つまり、3D プリントはデジタル歯科の効率性を生産段階にもたらします。口腔内スキャン、CAD/CAM 設計、3D プリントを組み合わせることで、歯科ラボはクラウン、ブリッジ、歯科模型、アライナーなどのさまざまな歯科製品を正確かつ迅速に製造できます。

歯科業界で一般的に使用されている 3D 印刷技術には、感光性樹脂の選択的硬化 (SLA)、選択的レーザー溶融 (SLM)、インクジェット印刷 (Polyjet)、および本質的に SLM 技術である金属レーザー焼結 (DMLS) などがあります。しかし、それぞれの技術は異なる歯科製品の処理に適しています。 SLA 技術は主に、歯科用外科用ガイド、仮歯やブリッジの製造、ロストワックス鋳造用の樹脂モデルに使用されます。クラウン固定ブリッジなどの修復に使用される材料には、主に歯科用金合金、チタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼などがあります。このタイプの修復には精度に対する要求が非常に高く、修復の形状は比較的複雑です。 SLM 技術は、高速で、精密でカスタマイズされた複雑な金属構造を直接製造できるため、口腔修復物の製造において大きな利点があります。 Polyjet 技術は、歯科模型、外科用ガイド、ベニア模型、歯科矯正器具、デリバリーおよび位置決めトレイ、および各種モデルの関連ラボおよびビジネス設計の製造において、多くの応用例があります。 DMLS 技術の原理は選択的レーザー溶融 (SLM) から派生したものです。Traini T らは、この技術を使用して、機能的に傾斜したチタン材料で作られた多孔質歯科インプラントを直接製造しました。

3D口腔スキャン、CAD設計ソフトウェア、3Dプリントされた歯科模型や歯冠など、これらのデジタル技術の重要性は、医師が模型や義歯などの歯科製品を自分で作ったり、歯科技工士の仕事を請け負ったりする必要がなくなり、口腔疾患の診断や口腔外科手術そのものに集中できるようになったことです。歯科技工士は、医師の診療室から遠く離れていても、患者の口腔データを入手できれば、医師の要求に応じて正確な歯科製品をカスタマイズすることができます。

6. 3Dバイオプリンティング

前述のように、カスタマイズされた補綴物、歯科および整形外科用インプラント、補聴器シェル、および金属やプラスチックなどの非生体組織材料を使用して 3D プリントされたその他の医療機器はすべて「一次レベル」に属します。血管や軟骨組織などの単一の生体組織の印刷は「中級レベル」に属します。人工肝臓や人工心臓などの3Dプリント人工臓器は「トップクラス」に属します。

人工血管、軟骨組織、肝臓組織、腎臓組織など、その核となるのは、特定の種類の細胞の分離（または誘導）と大規模な増殖です。生物学的 3D プリント技術は、人工組織や臓器の培養プロセスにおける 3 次元形状の構築、つまり、事前に設計された形状に従って人間の細胞を成長させることに大きく貢献しています。したがって、人工臓器や組織の開発は、バイオテクノロジーの発展に大きく依存します。

日本の京都大学は、神経再生を促進する 3D バイオプリントカテーテルを開発した。日本の京都大学の研究者らは、Cyfuse Biomedical 社の Regenova 3D バイオプリンターを使用して、損傷した神経細胞の再生を促進できる管状導管を作成した。研究者らは、6匹のマウスでは神経の5mmの隙間を埋めるために8mmの3Dプリント導管を使用し、他の6匹では現在の標準的なシリコンチューブを使用した。研究者らは、3Dバイオプリントカテーテルがシリコンチューブよりも速くマウスの神経再生を促進することを発見し、さらに、3Dバイオプリントカテーテルが将来、患者の神経損傷からの回復を助けるために使用される可能性があることを示唆している。

3Dプリントされた血管を動物に移植

以前、ロシアのバイオテクノロジーグループ3Dバイオプリンティングソリューションズが3Dプリントした甲状腺をマウスに移植することに成功したと報じられていた。 2016年末、中国の科学者らは3Dプリントした血管をアカゲザルに移植することに成功し、人体移植用の血管やその他の臓器のプリント技術における重要な前進となった。 3Dプリンターは約2センチの長さの血管サンプルを印刷し、それを30匹のアカゲザルの胸腔に移植した。移植から1か月後、人工血管の幹細胞は、天然の血管に必要なさまざまな細胞に成長しました。時間が経つにつれて、これらの細胞はアカゲザルの本来の血管と「区別がつかなくなる」ようになりました。

UCSDチームは5mmの大きな血管網を3Dプリントし、動物に移植することに成功した。

研究チーム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の印刷に成功しました。この印刷物をマウスに移植すると、マウスの血管系とうまく統合され、正常な機能を発揮しました。これまでに登場した類似のプロジェクトと比較すると、次のような明らかな利点があります。① 基礎となるのは実際の人間の血管スキャンデータなので、印刷された血管は毛細血管も含めてより複雑です。比較すると、他の多くの同様のプロジェクトでは、単純なセクションのみを印刷します。 ② 使用される材料には、感光性ポリマーに加えて、ハイドロゲルや内皮細胞も含まれているため、血管ネットワークとの適合性が優れています。さらに、感光性ポリマーのコストは依然として非常に低いです。 ③印刷速度が非常に速く、全体のプロセスはわずか十数秒しかかかりません（もちろん、血管ネットワーク自体が非常に小さく、サイズがわずか4 mm x 5 mm x 0.6 mmであるためでもあります）。押し出し3D印刷技術に置き換えると、数時間かかる場合があります。研究チームは、3Dプリントした血管ネットワークを1日かけて成長させた後、マウスの皮膚損傷部に移植した。 2週間後、研究者たちは、これらの人工血管がマウス自身の血管網にうまく統合されただけでなく、何の障害もなく、マウスの血液循環が完全に正常であったことに驚きました。これが人間の臓器移植に新たな希望をもたらすことは間違いありません。

カナダのバイオ医薬品企業アスペクトがジョンソン・エンド・ジョンソンと提携し、3Dプリント膝軟骨を開発カナダのバイオテクノロジー企業、Aspect Biosystemsは、ジョンソン・エンド・ジョンソン・デピュー・シンセス・プロダクツと新たな研究協力契約を締結し、Aspectの「Lab-on-a-Printer」バイオプリンティング・プラットフォームを使用して、外科的治療に適したバイオプリント膝半月板を開発します。

フランス、世界初となる「3Dプリント金型によるカスタマイズされた気管支の製作」移植手術を完了 この特注気管支は、CHU病院とトゥールーズに拠点を置き、カスタマイズされた3Dプリントインプラントを専門とするAnatomik Modeling社との共同作業で作成された。まず、患者の気管支を 3D スキャンし、取得したデータに基づいて比例モデルを 3D プリントし、最後にそのモデルをシリコン鋳造の型として使用します。 3D プリントされた型は、患者の本来の気管支の形状を正確に再現し、最適な結果をもたらします。

クロススケール血管構造の 3D バイオプリンティング 浙江大学のHe Yong氏のチームは、マクロおよびミクロ規模の血管構造の印刷を実現できる血管3D印刷プロセスを開発しました。マクロの流路はさまざまな機械的力を負荷するために使用でき、ミクロの流路は栄養素の送達と化学物質の負荷に使用できます。この血管印刷モデルは臓器チップに統合することができ、薬物スクリーニング、細胞共培養、細胞力学などの分野に応用できます。

これは血管を印刷する全く新しい方法です。マクロとミクロの流路を同時に形成できるのが特徴です。研究チームは、独自に開発した血管プリンターを使用して、同軸ノズルで中空ゲル繊維を製造した。線維芽細胞と平滑筋細胞を搭載したゲル繊維を、3Dプリントプラットフォームの回転テンプレート上に制御しながら堆積させ、中空ゲル繊維の融合後に形成された肉眼で見えるチャネルに内皮細胞を播種した。研究チームは、多数のプロセス実験を通じて、クロススケール血管構造成形の問題を体系的に解決し、流体流動実験を通じてマルチスケール流路の有用性を実証し、その後の三層細胞培養実験を通じて組織工学への応用の可能性を示しました。

7.3Dプリンティングと医薬品

3D プリント技術による薬剤徐放性デバイスの製造は、従来の錠剤圧縮法に比べて独自の利点があります。 3D プリンティングは、さまざまな材料の精密な成形と局所的なマイクロ制御を実現し、複雑な内部構造を持つデバイスを実現できます。薬物放出特性は、想定される複雑な薬物放出挙動と一致しています。 3D プリント技術により、粉末材料が結合して形成され、医療用途でよく必要とされる複雑な空洞を持つ多孔質構造を簡単に実現できるため、薬剤の放出にとって大きな意義があります。

印刷液流量、ノズル移動速度、印刷液滴径、粉末層厚さ、噴霧回数、噴霧角度、噴霧位置などのプロセスパラメータを調整することで、薬剤の含有量、補助材料成分、組成を変更し、薬剤の放出速度と放出量を変更できるため、具体的な製造プロセスが柔軟かつ簡単になり、CAD（コンピュータ支援設計）を通じて一人の患者に最適な治療法を設計・製造することが可能になります。

3Dプリントは科学者がウイルスを検出できる医療センサーを開発するのに役立つ

機械学習を使用して継続的に自己調整するセンサーを搭載した 3D プリントされたプロトタイプ検出器。その結果、がんバイオマーカー、ウイルス、タンパク質などの微小物質を検出するための新しい、より効率的な方法が生まれました。これにより、重篤な感染症や病気の診断と治療が改善される可能性があります。リーダーは、4 つの異なる色の LED、カメラ、および 3D プリントされたプラスチック製のハウジングで構成されています。 3D プリント技術のおかげで、プロトタイプは安価に製造できるだけでなく、耐久性があり、さまざまな状況に合わせてカスタマイズできます。

UCLA、3Dプリントで薬剤に使用できる新しいバイオインクを発表 カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）は、ジェット3Dプリント技術によって医薬品にすることができる新しいタイプのバイオインクを開発した。 UCLAが開発した新しいバイオインクは、主にヒアルロン酸（皮膚、結合組織、神経系に広く見られる天然の生体分子）で構成されています。3Dプリントのプロセスは次のとおりです。1）光開始剤と混合し、光にさらされると固まるようにします。2）ロピニロール塩酸塩（パーキンソン病の治療に使用される）と混合して薬物原料を形成します。ここで、ロピニロール塩酸塩がAPIとして選択された理由について説明します。主に親水性が高く、溶解しやすいためです。これは、人間の吸収に有益であるだけでなく、薬物の溶解速度を測定するためにも役立ちます。 3) 混合物は圧電ノズルによって堆積され、形成される。 UCLAチームは、胃を模した酸性環境での溶解速度を測定した。結果、溶解率は15分以内に60％を超え、30分後には80％を超えたことが示されました。しかし、この薬には欠点もあり、溶解後 1 時間で少量 (約 4%) が失われます。
出典: 3D Bio Valley 詳しい情報:
分析！ 3Dプリント技術の埋め込み型医療機器への応用 2つのセッションの代表であるLiu Zhongjun氏：医療用3Dプリントは追随から主導へと変わるべきである

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