極めて質感が似ている3Dプリント「ハート」が日本で量産へ

臨床医学における3Dバイオプリンティングの役割は明らかだ。「質感が本物に非常に近い」と国立循環器病研究センター小児心臓外科部長兼医療安全管理部長の市川一氏は心臓のレプリカを手にしながら語った。

このレプリカは、インクジェット技術を使用した3Dプリントの内臓モデリングシステムを使用して作成されました。このシステムは、国立循環器病研究センター小児循環器科・周産期科長の白石航医師と、株式会社クロスエフェクト、株式会社SCREENホールディングス、共栄社化学が共同で開発しました。国立循環器病研究センターは2016年12月7日にこのシステムの開発に関する記者会見を開催した。

国立循環器病研究センターとクロスエフェクトジャパンは、患者のCT画像データと3Dプリンターを活用し、幼児の心臓の形状を再現した心臓レプリカの開発・製造に取り組んできた。以前はこのように行われていました。まず、患者のCT画像を撮影し、抽出した心臓データをもとに、光造形3Dプリンターで樹脂を使って心臓のハードモデルを作成します。形成された型に真空下で硬質ウレタン樹脂を流し込み、臓器の模型を製作します。高解像度のデータ処理により、心臓内部の血管構造や外部の筋肉まで再現します。

インクジェットで時間とコストを削減 今回、インクジェット技術を用いて、鋳型を必要とせず、内臓模型を直接製造します。別途型を作る必要がなくなるため、心臓のレプリカを印刷する時間の短縮や価格の引き下げが期待できる。具体的には、データ処理とモデリングにはそれぞれ少なくとも 1 日と 2 日かかります。コストは「従来の半分にまで削減できる」（SCREENホールディングス常務取締役最高技術責任者（CTO）の灘原壮一氏）。

このシステムは、患者のCT画像から抽出した心臓データを用いて、臓器のモデル部分であるモデリング剤と臓器以外の部分を覆う樹脂であるサポート剤という特殊な樹脂を注入し、臓器の形を作ります。その後、支持部を取り外すと、内臓モデルが得られます。 CT画像のデータ処理はクロスエフェクトが担当し、臓器モデリングシステムの製造はSCREENホールディングスが、プロパントおよび成形剤の開発は共栄社化学が担当している。

成形剤に使う樹脂は、インクジェット技術を使うために「水のような液状樹脂」にしたという（共栄社化学奈良研究所所長・研究リーダーの福岡重則氏）。さらに、成形後も柔らかな食感を維持するための工夫も施しています。より本物に近い質感にするために、医師の意見を聞きながら樹脂の改良を今も続けています。

このシステムの目標は、1年以内に量産技術を実用レベルまで向上させることです。小児用心臓レプリカとして認可され、保険適用されることが第一の目標だ。国立循環器病研究センターの白石氏は「できるだけ早く認可されたい」と話している。今後は小児用心臓レプリカに加え、心臓病や大動脈疾患用の成人用心臓レプリカも提供される予定です。

術前シミュレーションによる虚血時間の短縮<br /> 国立循環器病研究センターでは、このシステムで作製した心臓のレプリカを、毎年1万2000人に発生する幼児期の複雑な先天性心疾患の診断と治療に活用することを計画している。白石氏は「子どもの心臓はとても小さく、形も複雑。病気になると形も大きく変わるので、手術法の習得が難しい」と指摘する。

そのため、心臓レプリカは術前のシミュレーションや若い医師のトレーニングに使用されています。正確なレプリカを使って術前シミュレーションを行うことで、患者の複雑な心臓の構造を手術前に把握することができ、「手術時間の短縮が期待できる」（白石氏）。心臓手術中は心臓の鼓動が止まり、虚血状態になります。新生児期や乳児期には心臓が１時間程度は安全に止まるが、心臓の虚血時間は１分や１秒でも短くなる可能性がある。市川氏は「心臓のレプリカを使うことは、虚血時間の短縮に確かに役立つ」と話す。

臓器レプリカを使用するもう一つの目的は、若い医師が内臓の構造を理解できるように訓練するためのツールとして機能することです。幼児の心臓手術では手術対象が非常に小さいため、手術を行う外科医以外の医師は患部を見ることができません。レプリカ心臓を使えば「外科医にしか見えない視野が見れるし、本来は取れない部分を取り除いたり、心臓の内部を見ることもできる」（市川氏）。

市川医師は記者会見で、今回作製した心臓レプリカを使い、若手医師らを対象に手術前のシミュレーションや訓練のデモンストレーションを行った。実際に心臓が機能しなくなってから手術を行うと、心臓は柔らかくなります。これまでの内臓モデルは硬いものが多かったのですが、今回は柔らかい質感を再現し、リアルなシミュレーションが可能になりました。

出典：日経BP新聞詳細記事：
米国の3大医療機関が協力し「オンライン心臓3Dモデルライブラリ」を構築中

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