さまざまな医療分野における3Dプリント技術の応用例

3D プリンティングの出現は、従来の製造業に破壊的な変化をもたらし、世界の製造業の将来の発展をリードする新たなトレンドとなっています。 3Dプリンティングは、情報技術、精密機械、材料科学など複数の分野に基づいて開発された最先端技術です。 3D プリント技術が成熟するにつれて、3D プリントは医療市場においてますます重要な役割を果たすようになっています。さて、Antarctic Bear は医療分野における 3D プリントの応用をいくつか見ていきます。

3Dプリンターの開発
1984年、チャールズ・ハルは3Dプリント技術を開発し、1986年に特許を取得してステレオリソグラフィーと名付け、3D Systemsを設立しました。
1987年、DTMはSLS技術を開発し、商業化しました。
1988年、クランプ氏はFDM技術を開発し、翌年ストラタシス社を設立しました。
1991 年、Helisys は最初の Layered Object Manufacturing (LOM) システムを販売しました。
1992 年、Stratasys は最初の FDM ベースの「3D モデリング」マシンを販売しました。
1993年、MITは2次元プリンターで使用されるインクジェット印刷技術に類似した「3次元印刷技術」の特許を取得しました。
1995 年、MIT はパウダーベッドとスプリンクラーの 3D プリント (3DP) 技術を開発しました。
1996年、3D Systemsはラピッドプロトタイピングマシン「Actua 2100」を発売しました。同年、Zコーポレーションは「Z402」を発売し、初めて「3Dプリンター」という名称を使用しました。
2005年、Zコーポレーションは市場初の高精度カラー3Dプリンター「SpectrumZ510」を発売しました。
2006 年、自己複製型 3D プリンターの開発を目的とした RepRap オープンソースプロジェクトが開始されました。
2008 年、Objet Geometries は、複数の異なる材料を同時に使用できる初の 3D プリンター、「Connex500」ラピッドプロトタイピングシステムを発表しました。 Object Geomatries は 2007 年に Polyjet マトリックス技術をリリースしました。その印刷装置を図 1 に示します。技術原理は、光硬化性材料の超薄層をスプレーすることであり、最も薄い層はわずか 16 μm で、スプレー材料には多くの種類があります。

図1 ポリジェットマトリックス印刷装置 3 医療分野における3D印刷の現状1. 下顎骨の作成魔法の3Dプリント下顎骨インプラント

3Dプリント技術を使用し、世界で初めて完全にカスタムメイドのインプラントを使用して顎全体を置き換えました。従来の製造方法と比較すると、3D プリントでは材料の消費量が少なく、製造時間も短くなります。下顎骨の製造には数時間しかかからないこともよくあります。拒絶反応を避けるため、研究者らは完成した下顎骨にバイオセラミックコーティングを施した。技術者は、移植患者の特定のニーズに応じて骨コンポーネントのレンダリングを設計し、高精度のレーザーガンを使用してチタン粉末を溶かし、層ごとにスプレーして積み重ね、最終的に3次元の人工骨コンポーネントを製造します。全体のプロセスでは接着剤や粘着剤は一切必要ありません。研究者らは、83歳の女性に3Dプリントした下顎骨を移植することに成功した。

2. 外骨格の印刷
イサカ大学の学生が義肢を3Dプリント、材料費はたった15ドル
ドイツの3Dプリント義肢装具メーカーMecurisがシード投資を受ける
3D プリンティングは現在、障害者や筋ジストロフィー患者の運動能力向上を支援することを目的とした外骨格プリンティングの分野に参入しています。 3D プリントで作られた軽量の外骨格は、ユーザーの立ち上がりや歩行をサポートします。

3. セルの印刷
代替ブラックテクノロジー：電気ウナギの細胞で3Dプリントした組織は心臓病を治せる！

科学者たちは、人間の細胞を使った3Dプリント技術で世界初の人工肝臓を開発した。研究者らは、特定のパターンで細胞を印刷できるバルブベースの細胞印刷プロセスを開発した。細胞印刷プロセスの鍵はプリンターのノズルにあり、細胞や組織の活力を保護するために慎重に使用する必要があります。ヘリオットワット大学は、組織再生用のヒト胚性幹細胞などの生存能力の高い細胞を印刷できるバルブベースのデュアルノズルプリンターを開発しました。その細胞印刷システムの概略図を図 2 に示します。

4. 生体組織の印刷
ロシュは3Dプリントされた生きた肝臓組織を使用して薬物の毒性を特定することに成功した
さらに進化した生物学的3Dプリンターが誕生！生きた人間の組織の作成に成功

研究者たちは、生物組織内の細胞の特性の一部を模倣した水滴のネットワークを作成した。研究チームは3Dプリンターを使い、液滴を筋肉のように曲がり、神経細胞の束のように電気信号を伝達できるゼリー状の物質に組み立てることができ、臓器不全の修復や緩和に使用できる可能性がある。この技術は、人工組織や臓器モデルの合成など医療分野での活用が期待されています。

5. 血管の印刷
公式発表：幹細胞生物学的3Dプリント血管がアカゲザルに移植に成功

3Dプリント技術と多光子重合技術を組み合わせることで、人工血管の印刷に成功しました。このプロセスを通じて印刷された血管は、人体の組織と「通信」し、臓器の拒絶反応を防ぎ、筋肉のような組織を成長させることができます。この研究結果は、人体実験や薬物試験に利用されることが期待されます。

6. 印刷オルガン
オランダの2つの主要機関が協力して3Dプリントされた人間の組織と臓器を開発
UTA の科学者たちは 3D プリントされた臓器の培養に取り組んでいます<br /> 研究者たちは、3Dプリント技術と体自身の細胞を組み合わせて、細胞混合物にゲルを加えた生分解性の足場を使って、腎臓を層ごとに構築した。この技術は、子供が人工膀胱を無事に受け取ることにも役立ちました。さらに、CTスキャンなどの医療画像技術を活用し、3Dプリンターはアクリル樹脂を使用して半透明の臓器モデルを作成することもできるため、外科医は臓器の内部構造を理解し、腫瘍の放射線治療の効果を視覚化することができます。アメリカの科学者たちは、3Dプリント技術を利用して、難しい合併症を持つ患者の心臓の構造を正確に再現できる人間の心臓モデルを作成することに成功した。このモデルは、医師が手術前に患者の心臓の構造を研究するために使用できる。

7. てんかんを治療する
3Dプリント錠剤がてんかん治療薬として初めてFDAに承認される
神経学者は言いたいことがある: 3D プリントされた抗てんかん薬は私たちに何をもたらすのか?
日本の研究チームは、3Dカーボン電極を含む燃料電池やバイオセンサーのインターフェースの製造に使用できる、高導電性の新しいタイプの樹脂である、新しい光硬化型3Dプリント材料を開発した。最も有望な用途は、脳に接続できる 3D マイクロ電極の製造です。脳内の神経は、3D マイクロ電極のインターフェースを介して相互接続され、ニューロンから電気信号を送受信できます。脳深部刺激や、てんかん、うつ病、パーキンソン病などの関連疾患の介入および治療に使用できます。この技術はまだ実験段階です。

8. 胎児画像診断と治療
ポーランドのMWUは3Dプリントされた心臓モデルを使用して胎児の状態を診断する
精巧な3Dプリント心臓モデルが心臓病の子供たちを救う医師の助けに
ロンドン超音波センターは、英国で初めて 3D サービスを提供するクリニックです。妊娠24週以上経過し、体調が安定している母親の場合、超音波を使用して子宮内の胎児を検出し、さまざまなデータを記録し、その後、3Dスキャン技術を使用してこのデータを処理して胎児のプロトタイプをシミュレートし、最後にモデルを真鍮で鋳造します。この技術は胎児の先天性欠陥の検出に役立ちます。

9. 気管支の印刷
【事例】中国初の3Dプリント分解性気管ステントの臨床応用
マテリアライズはTRSと提携し、病気の子供たちを助けるために3Dプリントの気管副木を作成<br /> 医療スタッフは3Dプリンターと生体材料を使用して、気道を開くことができる添え木を作成し、気管支軟化症の赤ちゃんを救うことに成功した。

10. 頭蓋骨の印刷
頭蓋骨癒合症の5歳の男の子は「エイリアンの赤ちゃん」のように見え、彼の頭蓋骨は3Dプリントを使用して再構築されました。
3Dプリントされた頭蓋骨が米国の法医学の未解決犯罪事件解決に役立つかもしれない
アルゼンチン初の3Dプリント頭蓋骨インプラント患者、1年後も普通に生活

3D プリント技術は、その優れたカスタマイズ性により、整形外科分野で人気を博しています。米国の地方医療機関は、3D頭蓋骨プリントを臨床治療に導入しようとしている。現在、この印刷材料は米国食品医薬品局（FDA）から正式に承認されていないが、材料の申請が承認されれば、頭蓋骨外傷患者の75％が関連する修復手術を受けると推定される。

11. がんの負担を軽減する
3Dプリントデバイスは、1つの血液サンプルから数十の癌を検出できる可能性がある
魔法の3Dプリントハイドロゲルデバイス：磁力で制御して体内に正確に薬剤を放出できる

3D プリンターに化学物質の容器を追加することで、3D プリンターはユーザーが必要とする医薬品を合成できます。これにより、医薬品の生産コストが大幅に削減され、患者の負担が軽減されます。

実際には、他にも多くの例があり、Antarctic Bearではそれらを一つ一つ列挙することはしません。ご興味があれば、Antarctic Bearで関連キーワードを検索してみてください。画期的な技術である 3D プリンティングは、医療業界全体に大きな影響を与えるはずです。現在、世界中で毎年臓器移植を待つ患者の数は驚異的です。多くの患者が、適時に臓器提供を受けられずに亡くなっています。また、臓器提供を受けたとしても、患者は移植手術を受けた後にさまざまな程度の拒絶反応を経験します。将来的には、3Dプリント技術とクローン技術の完璧な組み合わせにより、臓器拒絶の問題が解決されると期待されています。将来的には、3D プリントを使用して体の傷を直接修復できるようになるかもしれません。さらに、医療機関は3Dプリントされた人間の生体組織から詳細かつ正確なデータを大量に抽出することができ、新薬の研究開発の加速にも役立ちます。

記事の出典：医療分野における3Dプリント技術の研究の進展（関吉、楊淑新、関野、高磊、中国人民解放軍第302病院医療工学支援管理センター、中国人民解放軍総合病院眼科外来）

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