3Dプリント技術の精密な個別耳再建手術への応用展望の分析

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-2-7 11:17 に最後に編集されました。

近年、世界中で「3Dプリント」の波が続いており、医療分野でも3Dプリントが急速に進歩していると言えます。 Antarctic Bearによると、現在、耳の足場として自己肋骨軟骨を使用することが最も信頼性が高く望ましい方法と考えられており、耳の再建に自己組織を使用することは、依然として耳の修復の主流です。しかし、外科的外傷が大きい、ドナー部位が損傷する、見た目が満足できないなどの大きな欠点があります。したがって、外傷性がなく、免疫拒絶反応がなく、細かく個別化された耳の再建手術を開発することが緊急の臨床ニーズとなっています。実際、3Dプリント耳手術はクリニックで何度も行われ、完璧な結果を達成しています。Antarctic Bearは以前、イギリスの科学者が先天的に耳のない子供たちの耳を3Dプリントした例など、国内外のいくつかの事例を報告しました。

耳の再建手術の方法と耳のステントの選択<br /> 小耳症症候群は先天性小耳症とも呼ばれ、外耳道閉鎖、中耳奇形、顎顔面奇形を伴うことが多い、耳介の先天異常です。発生率は民族グループによって異なるのでしょうか?小耳症の耳介の発達に応じて、部分的または完全な耳の再建が必要になります。耳の再建は難しく複雑な手術であり、耳のステントの選択が耳の再建の鍵となります。

耳ステントは耳介再建の基礎となります。耳ステントの選択によって、次の 3 つのカテゴリに分けられます。1 つは、自己組織とステントを使用して修復する方法、2 つ目は人工材料または同種軟骨を耳ステントとして使用して修復する方法、3 つ目は耳の修復に耳プロテーゼを使用する方法です。

耳介プロテーゼによる耳の修復は古くからある方法です。手術は侵襲性が低く、適用範囲が広いものの、患者は「自分のものではない」ため、耳介プロテーゼに対する心理的受容性が低くなります。また、毎日洗浄する必要があり、色が周囲の皮膚と合うのが難しく、脱落する可能性もあります。同種耳軟骨、肋骨軟骨、牛軟骨などが耳ステントとして使用されてきましたが、明らかな欠点があるために放棄されてきました。

シリコンやメドポール耳ステントなどの人工材料を使用して耳ステントを作成すると、外科的外傷や自家肋骨軟骨の採取に伴う合併症を回避できますが、それぞれに欠点があります。シリコンプロテーゼには、柔らかい質感、成形の難しさ、組織との不適合性、拒絶反応の容易さ、線維性被膜形成、拘縮などの欠点があります。 Medpor は成形が容易で、さまざまなサイズや形状のスキャフォールドに接合できます。立体感が強く、非抗原性、非毒性で、移植後に大量の軟組織が成長することができます。しかし、ステントの材質は比較的硬く、手術後のステントの露出率は依然として高く、一度ステントが露出すると、創傷面が自然に治癒することは困難です。

現在でも、耳の修復法としては、自己組織を用いた耳の再建が主流となっています。耳ステントは自家肋骨軟骨から削り出されており、免疫拒絶反応がなく、適度な質感があり、再建された耳の皮膚は周囲の皮膚と色が一致しており、良好な感触を与えます。タンザー、ブレント、そして日本の福田と永田による段階的耳介再建手術はいずれも自家肋骨軟骨を使用しており、良好な臨床結果を達成している。しかし、その欠点は、手術が比較的外傷性が高く、ドナー領域に損傷があり、胸部の変形や耳の後ろに重度の瘢痕が生じる可能性があることです。医学と材料科学の継続的な進歩により、学者たちは理想的な耳ステントの材料と手術方法を見つけるために懸命に取り組んできました。

組織工学軟骨の出現と発展は、耳の再建足場の問題に対する解決策となる可能性があります。組織工学における重要な問題は、種子細胞の供給源とキャリアの特性です。種子細胞の選択と、種子細胞が成長して代謝する場所を提供する細胞と生物学的足場材料で構成される 3 次元空間複合体の確立は、2 つの重要な側面です。 Cao らは、ポリグリコール酸-ポリ乳酸テンプレートを使用して 3 歳児の耳介の形状を整え、ウシの関節軟骨から分離した軟骨細胞をポリグリコール酸に接種しました。ポリ乳酸テンプレートを体外で培養し、ヌードマウスの皮下組織に12週間移植したところ、形態学的および組織学的分析により、新しい軟骨が形成されたことが示されました。 SH Kamilら（2002）は、キトサンとゼラチンのネットワークとポリ乳酸複合材料を使用して軟骨足場材料を調製した。
中国では、さまざまなシード細胞を使用して組織工学軟骨を得る研究も数多く行われています。これらの研究は、耳介欠損患者に対する臨床手術の可能性を示していますが、組織工学軟骨を臨床で使用できるようになるまでには、さらに徹底した研究が必要です。

3Dプリント技術
3D プリンティングは、ラピッドプロトタイピング (RP) または付加製造 (AM) とも呼ばれ、デジタルおよびインテリジェント製造と材料科学を組み合わせたものです。コンピューターの 3 次元デジタル画像化技術とマルチレベル連続印刷技術に基づく新興の応用技術です。

3D プリント技術は 1980 年代後半に登場し、当初は製造エンジニアリングや航空宇宙モデル設計などの分野で使用されていました。 3D プリント技術の発展により、工業製造、文化芸術、航空宇宙、バイオエンジニアリングの分野で画期的な 3D 製品が登場しています。 3D プリント技術は、高精度、短い生産サイクル、個別の要件を満たす能力などの利点により、幅広い注目を集めています。

現在一般的に使用されている 3D 印刷技術には、ステレオリソグラフィー (SLA)、熱溶解積層法 (FDM)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、3 次元印刷 (3DP) などがあります。 3D プリント技術の継続的な発展により、この新たな科学技術の成果は徐々に医療分野に進出してきました。

3Dプリント技術と医療の組み合わせは医学史上画期的な出来事となり、医療モデルの製造や手術の分析と計画、再生と修復、臓器移植、医薬品の研究開発試験などの分野で広く利用されてきました。

3Dバイオプリンティング技術の開発と応用
3D バイオプリンティングは、コンピューターの 3 次元モデルを使用して、ソフトウェアの階層化分離と CNC 成形により生体材料または生体細胞を配置および組み立て、人工インプラントスキャフォールド、組織器官、医療補助装置などのバイオメディカル製品を製造する 3D 印刷技術です。 3D バイオプリンティングは、in vitro モデル製造、永久に移植可能なフィギュア製造、細胞間接アセンブリ製造、細胞直接アセンブリ製造の 4 つのレベルに分けられます。 3Dバイオプリンティングの核となる技術は細胞組み立て技術、すなわち細胞3Dプリンティング技術であり、生きた細胞/材料ユニットを配置して組み立てることで組織や臓器の前駆物質を製造する新しい技術です。その最大の利点は、複雑な形状と内部微細構造の統合製造にあり、特定の患者と特定のニーズに合わせてさまざまな臓器のパーソナライズされた生産を実現できます。
3D プリント技術を整形外科手術に応用することで、手術の精度と個別化が高まり、複雑な手術の成功率が向上し、手術時間が短縮され、手術がより安全になります。 Stoker らは、頭蓋顎顔面手術の術前シミュレーションに初めて 3D プリントモデルを使用しました。 Levineらは、手術前に収集したCTデータを用いてCADソフトウェアで手術をシミュレーションし、骨切り線や骨ブロックの移動目標位置などの情報を取得しました。位置情報は、手術中にリアルタイムのプロンプトを表示して手術をガイドするために使用されました。材料科学の発展に伴い、いくつかの研究では、従来のモデル材料を生体材料に置き換え、CAD ソフトウェアで処理した後に人間のインプラントを直接印刷する試みがなされています。西条らは、リン酸三カルシウム粉末などの生体材料を使用してパーソナライズされた義肢を作製しました。消毒後、手術中に彫刻する必要がなく、義肢を人体に直接埋め込むことができるため、3Dプリント技術を単純な模型製造からバイオ製造へと拡張しました。 Kozakiewicz らは、3D プリントされたチタン合金インプラントを使用して眼窩底骨折を修復し、良好な固定効果と適応性を達成しました。

さらに、3Dバイオプリンティング技術は医薬品の研究開発の分野でも広く利用されています。 2012年には、初の3Dプリント肝臓組織製品が登場し、薬物試験に使用できるようになった。2013年には、米国のORGANOVO社が正常な肝機能を持つ小型肝臓組織のプリントに成功し、そのタンパク質は塩分、ホルモン、薬物を体のさまざまな部位に輸送できるようになった。米国ウェイクフォレスト大学のウェイクフォレスト再生医療研究所は、生体組織から培養したさまざまな種類の腎臓細胞を3Dバイオプリンターに配置し、分解性生体材料を足場として人間の腎臓をプリントした。

3D技術を使用して印刷された人間の肝臓、腎臓、および特定の細胞組織は、新薬のテストに使用でき、薬物に対する人間の組織の反応を現実的にシミュレートできるだけでなく、新薬の研究開発コストを大幅に削減することもできます。 3Dバイオプリンティングは、複雑な形態と構造を持つ組織工学スキャフォールドを構築できるだけでなく、異なるスキャフォールド材料に異なる密度のシード細胞を3次元的に正確に配置して、細胞と生体材料の同時印刷を実現し、最終的にバイオニック組織と臓器を構築できる新しいタイプの組織工学技術です。組織印刷または臓器印刷とも呼ばれ、臓器移植と再生・修復における新たなブレークスルーです。 Bolandら

3Dプリンティング技術を使用して、ウシ血管内皮細胞とアルギン酸ハイドロゲルを同時に印刷し、3次元の内皮細胞-ハイドロゲル複合体を形成し、活性微小血管構造の印刷に成功し、血管印刷の基礎を築きました。日本の東京大学の黄氏らは、アビジン-ビオチンを用いて分岐した血管系を印刷し、その上に肝臓がん細胞を植え付けた。 2013年、米国では3Dプリント皮膚と腎臓の研究が飛躍的な進歩を遂げました。

2014年、Leeらは3Dバイオプリンティング技術を使用して人間の皮膚移植片を直接印刷し、皮膚移植手術の悪影響を回避しました。米国のウェイクフォレスト大学の研究者たちは、傷口に直接皮膚組織を印刷し、戦場や災害地で使用できる携帯型プリンターの開発を目指している。研究者らはまず、3Dバイオプリンターを使用して患者の傷をスキャンし、皮膚移植の位置と範囲を決定した。次に、1つのインクジェットバルブからトロンビンを噴射し、別のインクジェットバルブから細胞、コラーゲン、フィブリノーゲンの混合物を噴射した。その後、最初にヒト線維芽細胞の層を印刷し、次にケラチノサイトの層を印刷した。 3Dバイオプリンティング技術を使用して、患者自身の細胞から患者自身の体にぴったり合う臓器を得ることは、医療界と患者に希望をもたらすでしょう。

耳再建手術における3Dバイオプリンティング技術の応用展望<br /> 先天性小耳症に対する耳介再建は、形成外科における一般的な臓器修復手術です。耳の再建手術に自己組織を使用して、大きな外科的外傷や合併症を回避しながら、正確で個別の手術結果を達成する方法。 3Dバイオプリンティング技術は近い将来この願いを実現すると期待されています。 2013年、米国コーネル大学の研究者らは牛の耳の細胞を使って人工の耳を印刷した。耳型を印刷する際には、コラーゲンと生きた細胞を注入できるゲルが使用されます。印刷された耳型はその後取り出され、細胞培養皿で培養されます。3 か月で軟骨がコラーゲンに置き換わります。

Lee らは 3D プリント技術を使用して、再生軟骨と脂肪組織を含む人工耳を作成しました。主な部品は、ポリカプロラクトン (PCL) と、3 次元ネットワーク構造の細胞が詰まったハイドロゲルです。アルギン酸ナトリウム、コラーゲン、ブロック共重合体（プルロニー）など、臓器の 3D プリントに使用されるハイドロゲルはすべて、機械的特性が低く、培養中に不安定になります。
Mannoor らの研究では、3D プリントを使用して、生物学的機能とナノ電子機能を組み合わせた複雑なバイオニック耳を作成することを提案しました。この研究では、生物細胞と電子部品のナノ粒子で印刷されたバイオニック耳が、無線周波数受信の聴覚知覚を向上させるという新しい戦略を提案しました。洗練された形態と機能の両方を備えたこのバイオニック人間の耳は、耳の再建手術を受ける患者に新たな希望をもたらします。

展望<br /> 3Dバイオプリンティング技術により、生体適合性細胞、足場材料、成長因子、シグナル分子などがコンピューターの指示に従って印刷され、生理機能を備えた生体臓器が作成され、修復または置換の目的が達成され、バイオメディカル分野で極めて広範囲にわたる意義を持ちます。 3Dバイオプリンティング技術と臓器プリンティング技術の研究開発により、この技術はバイオニック組織や臓器の印刷に成功し、大きな外科的外傷、臓器源の不足、拒絶反応など、自家移植や同種移植の限界や問題を完全に解決し、再生修復医療と臓器移植の応用と発展を新たな時代へと導くことが期待されています。

出典: OFweek 3D Printing Network 詳しい情報:
3D プリント技術により、医師らは河南省の 12 歳の少年の耳を完璧に修復することができました。英国の科学者らは耳を 3D プリントし、耳のない状態で生まれた子供に移植しました。

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