深層分析：3Dプリント技術を新たな医療分野に展開する方法

「3Dプリント」は近年非常に人気が高まっている新しい技術です。小さな模型玩具から大きな車や飛行機の部品まで、十分な材料さえあれば、ほとんどあらゆるものを「印刷」できそうです。実は、3Dプリント技術も医療界が注目している新技術です。治療器具のプリントに使われるだけでなく、「人体をプリントする」というのはもはやSF映画の筋書きではありません。その中でも、骨の印刷は、医療分野におけるこの技術の応用の出発点であり、最も急速に成長している応用でもあります。 3D プリント技術は、現在の医療の基本的なルールや概念をどのように変えるのでしょうか?隠れた懸念事項はありますか?患者は 3D プリント治療の費用を支払う余裕がありますか?

3Dプリントの基礎

香港のプリンスオブウェールズ病院の整形外科外来には毎日患者が出入りしていますが、外来の隣にある整形外科および外傷学継続教育トレーニングセンターに小さな「3D プリントワークショップ」があることに気付かないかもしれません。 2013年、香港中文大学整形外科・外傷科は85万人民元を費やして米国から3Dプリント機器を購入し、ここに設置した。それ以来、整形外科医は徐々に3Dプリントを研究し、治療の補助に活用するようになり、「骨プリント」の作業スケジュールはどんどん長くなり始めました。

香港中文大学整形外科・外傷学科主任教授の梁国綏氏は、実は1980年代初頭に香港生産性評議会で産業用3Dプリンター設備を見学したことがあると語った。しかし、当時、この技術はまだ「ラピッドプロトタイピング」と呼ばれており、主な用途は携帯電話の製造やジュエリーのデザインに限られていました。

現在、3D プリンティングは、特に医療分野ではまだ非常に新しい技術です。現在、デジタル時代のこの製品の医療用途は、人間の部位の「印刷」と外科用器具の「印刷」という 2 つの主なカテゴリに分類されます。まず前者について話しましょう。医療用途は製品設計とは異なり、人体の構造は非常に精密であるため、「印刷」を実現する前に人体のスキャン「データ」が用意されている必要があります。つまり、3D 印刷の前に 3D スキャンが最初に行われなければなりません。

そのため、コンピュータースキャン技術の発展は、現在の医療分野における3Dプリントの応用の基礎となり、関連する用途を広げており、当然のことながら骨プリントが技術の出発点となっています。「骨の構造はカルシウムを多く含んでいるためCTスキャンに非常に適している。そのためスキャンした画像が非常に鮮明になる」と梁国綏氏は説明した。

手術の手伝い

医療分野における 3D プリントの足がかりとして、印刷された骨モデルの主な用途は、複雑な手術のための最も詳細な計画を作成することです。

骨がんの切除手術を例にとると、一般的な手術部位は大腿骨の先端（膝関節付近）です。関節が関与しており、手術後に再建する必要があるため、位置は非常に正確でなければなりません。 3D 骨折モデルは、医師が患者の状態を注意深く分析し、手術切開の位置を正確に特定し、骨折を整復し、骨の切断範囲を決定し、骨折を修復または再建する方法を決定するのに役立ちます。

患者が骨を固定するために依然としてネジや鋼板を使用する必要がある場合、医師は骨折モデルを使用して手術のリハーサルを行い、ネジの位置と角度をテストし、骨の湾曲に合わせて鋼板を事前に成形するなど、鋼板をカスタマイズすることもできます。こうすることで、手術中に意図した位置に正確かつぴったりと配置することができます。

香港中文大学整形外科・外傷科は、3D骨格モデルを使用して、重度の骨折を患う患者数名を含む8名の手術の準備と、肘、骨盤、脚、足首の手術を行った。従来、医師は患者のコンピューター画像を見た後、経験と想像に基づいて手術の方法とプロセスを推測することしかできませんでした。しかし、それが実行可能かどうかは、業界では「開いて見て」と呼ばれる手術中にしか判断できませんでした。 3Dスキャンおよびプリント技術の登場により、医師は術前の計画と準備を効率的かつ正確に完了できるようになり、手術時間が大幅に短縮され、成功率が向上しました。梁国綏氏は、この8人の患者を治療した際、手術時間が平均で約1時間短縮され、術後の回復に役立ったと指摘した。

個別化医療

人体モデルの印刷に加えて、医療における 3D 印刷のもう 1 つの用途は、手術器具の印刷です。

たとえば、医師が鋼鉄の釘を骨に打ち込む前に、特定の角度で鋼鉄の釘を骨に打ち込むのに役立つ「目印」を骨の外側に配置する必要があります。 3Dプリントの助けを借りれば、特定の患者に一度だけ使用されるように設計された「照準器」などの「ガジェット」を作ることが容易になります。現在、「光景」を印刷するための材料費はわずか100元余りです。

パーソナライズされたカスタマイズを実現することは、現在の先進医療分野における主要な目標の 1 つです。人工関節置換手術を例に挙げてみましょう。現在、人工関節のサイズはメーカーによって決められており、患者は靴を買うのと同じように、自分に最適なサイズを見つける必要があります。しかし、靴のサイズは足に大まかに合えばよいのですが、交換する人工関節はできるだけぴったりとフィットする必要があるため、できるだけ早く「個人のカスタマイズ」を実現することが非常に重要です。

もちろん、印刷「インク」、つまり材料の限界のため、現段階では各患者に合わせた人工関節をオーダーメイドで作ることは依然として非常に困難です。

「インク」の選択

現在、人体に直接埋め込むことができる生体適合性材料のほとんどは金属です。例えば、人工関節を作るのに使われるコバルトクロム合金は、高強度の金属材料です。患者が歩き続けたとしても、人工関節の耐久性は10年から15年に達する可能性があります。

3Dプリンティングの研究者の中には、レーザープリンティング技術を使って金属を「インク」として使用しようと試みた者もいるが、専門家は、現在の印刷製品は剛性（つまり硬度）が十分ではなく、人体に埋め込まれる人工器官として使用するにはさらなる研究が必要だと指摘している。

手術補助器具の印刷に関しては、現在使用されている主な「インク」は依然として特殊なプラスチックです。それらの消毒は医学者にとって最大の関心事です。例えば、前述の「サイト」は手術中に患者の皮膚や肉に直接接触します。そこに特定の毒素が含まれていれば、非常に危険です。

消毒問題を解決するために、医師は現在、主にPC-ISO（熱変形温度は133℃）とABSM30i（熱変形温度は96℃）という、耐熱性が高い2種類の生体適合性プラスチックを印刷材料として選択しています。かつては樹脂も選択肢の 1 つでしたが、耐熱性が比較的低く、低温殺菌処理 (約 70°C) に耐えられない可能性があるため、使用できなくなりました。

医療負担の軽減

長期的には、各操作ごとに個別の補助ツールを印刷するという夢が実現できるでしょう。これまでの医療機器メーカーによる大規模生産の運営モデルは大きな変化に直面する可能性があります。梁国綏氏は、3Dプリントを利用して「パーソナライズされた手術器具」を製造することが間違いなく今後の発展の一般的な方向であると信じており、大手メーカーが製造する関連製品の少なくとも80％を削減し、コストを節約して患者の医療負担を軽減できると見積もっています。

これはすべての患者にとって素晴らしいニュースだと信じています。業界のメーカーは、3D プリント技術の成熟化によって影響を受ける一方で、研究開発コストを削減することもできます。これは誰にとっても悪いニュースではありません。

複数の分野での成功例

科学界は、3D プリントの医療への応用について、確かに多くの想像を抱いてきました。骨などの「ハードウェア」をプリントすること以外に、他の可能性はあるのでしょうか?たとえば、筋肉、靭帯、神経、血管、さらには気管などの人間の軟部組織を「印刷」することはできるのでしょうか?

2015年、米国ノースカロライナ州のウェイクフォレスト再生医療研究所は、生きた細胞を「インク」として使って腎臓を印刷し、7人の患者に移植することに成功した。研究者らは、生分解性の腎臓型の足場を印刷し、患者の腎臓から採取した生きた細胞でそれをコーティングし、研究室で人体の温度で培養した。約6～8週間で移植の準備が整う予定だ。

生きた細胞の3Dプリントを開発している別の米国企業であるオルガノボは、幹細胞技術を組み合わせて複数の生きた細胞を直径わずか500ミクロンの水滴にし、血管ステントをプリントしようとしている。内層と外層にはサポート用のゲルが印刷されており、6時間後にサポートが安定したらゲルが取り除かれます。最後に、管状の物体と生きた細胞を数週間特別なインキュベーター内に置くと、3D プリントされた血管が形作られます。

香港大学医学部と工学部が共同で行っている3Dプリント研究開発プロジェクトも、生きた細胞のプリントに焦点を当てており、人体に挿入して骨、関節、靭帯、神経の修復や治療に応用できる軟組織を直接プリントすることを目指している。研究者らは、生きた細胞を「インク」として使う3Dプリンターを設計しており、価格は最大600万元になる可能性がある。

2015年10月、世界初の3D生体血管プリンターが中国で発売されました。このプリンターは、血管内の中空構造やさまざまな種類の細胞の複数の層を含めて、わずか 2 分で 10 センチメートルの長さの血管を印刷できます。

第三次産業革命？

数年前、エコノミスト誌は3Dプリントの新興技術を「第三次産業革命」と称賛し、3Dプリントを前例のないレベルに引き上げましたが、多くの専門家はこの発言を嘲笑しました。

郭台明氏の見解では、3Dプリントで製造された携帯電話は、完成品に電子部品を追加することはできず、電子製品を大量生産することもできないため、見ることはできても使用することはできない。電子製品に限らず、材料の制限により、3D プリントで製造できる製品はごくわずかです。

昨今、3D プリントは確かに小規模製造、特にハイエンドのカスタマイズ生産に適しており、医療分野はまさにそのような素晴らしい場所であると思われます。過去 1 年間だけでも、肝臓、頭蓋骨、心臓、胸腔の 3D プリントモデルが製造されました。現状から判断すると、3Dプリント技術は大規模生産には適用できないものの、材料の制限が打破されれば、この技術の応用範囲は今後ますます広がり、医療分野ではさらなる期待が寄せられるだろう。

付録: 骨を 3D プリントするには何ステップありますか?

いわゆる「3D プリント」とは、3D 画像を複数の 2D 平面に重ね合わせることです。3D プリンターは、階層化処理と重ね合わせ形成のプロセスを通じて 2D 平面を 1 層ずつ積み重ね、3D エンティティに「印刷」します。
骨の3Dプリントは、一般的に次の手順に分けられます。

1. 設計: コンピュータースキャン画像を取得し、画像解析ソフトウェア (Mimics など) を使用して画像を 3D に再構築します。その後、医師とバイオメディカルエンジニアが治療計画と必要な印刷領域について話し合います。
2. マシンに入る: 画像が処理された後、印刷のために 3D プリンターに送信されます。エンジニアは、時間と材料を最も節約できるモデルの配置を事前に計算します。
3. 印刷: 熱溶解積層法 (FDM) 技術を使用して、プラスチック材料を高温で溶かし、液体の状態で噴射し、その後固体に変えます。すべての 3D プリンターはデュアルノズル設計を採用しており、左側はエンティティ (骨など) を印刷するための材料を噴射し、右側は 3D エンティティの「浮遊」部分をサポートするサポート材料を噴射します。
4. 洗浄: 印刷後、サポート材を取り除く必要があります。モデルが完全に乾いた後、直接洗浄するか、完成品を特定の溶液に浸してサポート材を溶解することができます。この方法により、実体の表面が損傷しないようにすることができます。

Alien Exploration から転載

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