概要：マイクロナノ3Dプリンティング（医療用途）の最先端の研究と主要企業11社

はじめに: ナノおよびミクロンスケールの 3D プリンティングは、印刷精度が高く、侵襲性が低く、手術や実験装置の小ロット製品や部品の製造に使用できるため、医療機器業界に根本的な変化をもたらすと予想されています。次に、Antarctic Bear に従って、この技術における主要な研究と企業を見て、この質問について一緒に考えてみましょう。医療分野の将来にとって高精度 3D プリンティングが持つ重要な意義は何ですか?

大学の研究をリードする

ウィーン工科大学<br /> 近年、2PP（二光子重合）やSLA（光造形法）などの3Dプリント技術が大きく進歩し、商業的なスピンオフ企業が生まれるケースが増えています。最初の注目プロジェクトは、ウィーン工科大学で独自に開発された 2PP テクノロジーを使用して 2012 年に製造されたフォーミュラ 1 レーシングカーでした。この F1 カーの長さは 285 ミクロンで、砂粒とほぼ同じ大きさです (下の画像は電子顕微鏡で撮影したものです)。 2PP の技術的原理は、高度に集中したレーザービームを操作して液体樹脂を固化することです。樹脂内の分子が重合反応を引き起こし、樹脂が固まるため、高精度かつ高速な印刷が可能になります。この車は100層で印刷され、完成までにたった4分しかかかりませんでした。

△電子顕微鏡下：2PP技術を使用して印刷されたF1レーシングカー。（写真：ウィーン工科大学）

パーデュー大学
2021年、パデュー大学の研究チームは、多光子リソグラフィーとフェムト秒レーザーパルスの時空間集束を組み合わせることで、滑らかな表面を持つ複雑な樹脂オブジェクトを製造できる高速ナノ3D印刷技術を開発しました。研究者たちは、多光子リソグラフィーの高速化とスケールアップを目指している。チームは 1 回の印刷で、幅が約 1 ミリメートルの 42 x 42 x 42 セルの立方体に 74,000 個を超えるセルを作製しました。医師はこの技術を利用して、複数の3Dプリントナノ構造を組み合わせて構築された生体工学的足場を迅速に製造し、その上で組織細胞を成長させることができる。

△パデュー大学：研究者らはデジタルマイクロミラーデバイスを使用して超短レーザーパルスをカスタムモバイルプラットフォームに誘導し、迅速なナノスケール3Dプリントを実現オリジナルリンク：https://www.nature.com/articles/ ... 30624997.1710594599

ジョージア工科大学
2023年10月、ジョージア工科大学の研究者らは、金属構造物を生産するための光ベースのナノ3Dプリント技術を開発しました。この技術は、一般的に使用されているフェムト秒レーザーの代わりにスーパールミネッセントダイオード（SLED）を使用していると伝えられており、他の従来の方法よりも480倍高速で、35倍安価です。投影システムからの光が透明なインク溶液（金属塩とその他の化学物質でできている）に当たると、塩を金属に変換する化学反応が起こります。研究者たちは、この技術により参入コストが大幅に下がるため、電子工学や光学などの分野での進歩が可能になると期待している。

△GT柄プリント（素材：シルバー）
オリジナルリンク: 10.1002/adma.202308112

スタンフォード大学とノースカロライナ大学チャペルヒル校
2021年、スタンフォード大学とノースカロライナ大学チャペルヒル校の研究者らは、ポリマーパッチ上に配置された3Dプリントマイクロニードルの形でマイクロニードルワクチンを開発した。研究者らは、ワクチンパッチは、針で腕の筋肉に注射されたワクチンよりも10倍強力な免疫反応を生み出すと述べている。 3Dプリントされたマイクロニードルは、CARBONの創設者ジョセフ・デシモーネ氏が開発したCLIPプロトタイプ3Dプリンターで製造され、簡単にカスタマイズして、インフルエンザ、麻疹、肝炎、COVID-19ワクチン用のさまざまなワクチンパッチを開発できます。

△ 3Dプリントマイクロニードルパッチオリジナルリンク: https://doi.org/10.1073/pnas.2102595118

マイクロ 3D プリンティングおよびナノ 3D プリンティング企業<br /> 多くの大学のプロジェクトが商業企業にスピンオフし、マイクロおよびナノ 3D プリンターのサプライヤーの数も着実に増加しています。 Boston Micro Fabrication や Fabrica (Nano Dimension の一部) などの企業の中には、従来の方法では製造不可能な部品を製造し、大きな商業的成功を収めている企業もあります。

△マイクロファブリカ

マイクロファブリカ
Microfabrica は 2018 年にイタリアの Technoprobe 社に買収されました。同社は高度な 3D プリンティングと半導体製造技術を組み合わせることで、生体適合性材料を使用して、微細で高精度かつ複雑な多部品機器を製造しています。 Microfabrica 社は US Endoscopy 社と提携し、消化管内の複雑な組織生検用に設計されたサブミリメートル鉗子を開発し、低侵襲医療処置における大きな進歩を示しました。

ナノスクライブ
ドイツの3Dプリンティングの先駆者であるNanoscribe社は、ルーヴェン・カトリック大学の科学者と協力し、2光子重合（2PP）を使用して、再生医療や創薬に使用できる合成微小血管を作成し、動物実験の代替手段を提供しています。さらに、ボストン大学の研究チームは Nanoscribe の技術を使用して人間の心腔のミニチュアモデルを構築し、病気の研究と臓器オンチップデバイスの開発を前進させました。 Nanoscribe 社の 2 光子グレースケールリソグラフィー (2GL) は、マイクロ内視鏡などの医療用画像装置用の高精度光学系の製造を強化します。 2GL は 2PP をベースにした最速の微細加工技術であり、マイクロ光学およびフォトニクスの分野の進歩を推進しています。 Nanoscribe は買収され、BICO グループ企業の一員となりました。

△3Dプリントしたベンチボート。左側は 2GL を使用して 3D プリントされ、右側は 2PP テクノロジーを使用して 3D プリントされています。

ボストンマイクロファブリケーション (BMF)
microArch シリーズの 3D プリンターを開発する BMF は、先端部の直径 3.3 mm の液密輪郭内にすべてのコンポーネントを収納した RNDR Medical の使い捨て内視鏡を製造することができます。 BMF の投影型マイクロステレオリソグラフィー (PμSL) 技術の解像度は 2 μm ～ 25 μm の範囲で、許容誤差は +/- 10 μm ～ 25 μm です。 BMF の PμSL テクノロジーの他の医療用途には、心臓血管ステントや血液熱交換器、低侵襲手術用の 3D プリントされたスパイラル注射針、遺伝子シーケンサー用の 3D プリントされたバルブ、ラボオンチップ (LOC) デバイスなどがあります。

△microArchシリーズプリンター

ファブリカとナノディメンション
このイスラエル企業は Nanofabrica として設立され、後に Fabrica Group に社名を変更し、その後、Additive Manufacturing Electronics (AME) メーカーの Nano Dimension に買収されました。 Fabrica は、DLP テクノロジーをベースにした 2 つのマイクロ 3D 印刷システム、Tera と Giga を提供しており、これらは 1 ～ 5 ミクロンの層間隔を非常に高い精度で提供できます。同社はまた、高解像度と繰り返し可能なミクロンレベルの精度と精密さに最適化されたさまざまな互換性のある材料も提供しています。 Nano Dimension は、DragonFly 3D プリンターとカスタムフレキシブル素材を使用して、厚さ 40 μm のウェアラブル圧電アンテナなどのウェアラブル医療機器を直接製造しています。 Nano Dimension の技術により、光透過と電気化学信号を読み取るための電極を組み合わせた埋め込み型光電子プローブや、ラボオンチップデバイスの製造、マイクロメートルスケールでの機械プラスチック部品の小型化も可能になります。

アップナノ
オーストリアを拠点とする高解像度ナノ 3D 印刷技術の開発企業である UpNano は、2PP ソリューションを使用して、細胞の微小環境を模倣した生体適合性構造と表面テクスチャを生成しており、その結果は医療研究においてますます重要な役割を果たしています。 UpNano の UpPhoto および UpOpto 材料の非細胞毒性と高い生体適合性は、EN ISO 10992-5:2009 に従って認定されています。UpNano は、その技術を使用して、マイクロ流体チップ上にマイクロ構造を直接生成し、市販またはカスタムのマイクロ流体チップ内でセパレーター、チャネル、膜などの内部コンポーネントを直接製造します。

△UpNanoは、さまざまなフォトポリマーとゾルゲルハイブリッド材料を提供しています

エクサドン
Exaddon は、金属マイクロ 3D 印刷プロセスであるマイクロ金属付加製造 (μAM) のプロバイダーであり、CERES 3D 印刷システムを使用して、後処理を必要とせずに室温でマイクロ金属オブジェクトを製造および修復します。同社がこの技術を利用する方法の 1 つは、脳に埋め込むための小さな電極を作成することです。これらの脳コンピューターインターフェイスは、電極またはインプラントを介して外部の計算能力を脳に接続し、パーキンソン病やアルツハイマー病などの病気の患者の生活を大きく変えることが期待されています。エクサドンは、薬物送達用の経皮マイクロニードルアレイも製造しています。中が空洞で壊れない針を使用すると、痛みも出血も起こりません。

△ コンタクトパッド上に直接3DプリントされたExaddon128プローブアレイの光学顕微鏡写真

キヌタ骨
オーストリアの企業 Incus は、光重合の原理に基づいたリソグラフィーベースの金属製造 (LMM) 技術と生体適合性材料を使用して、画期的な医療および歯科アプリケーションを実現しています。この方法により、マイクロ 3D プリントを通じて、複雑なディテールを備えた高精度の部品を生産できるようになります。代表的な用途は、カスタムトレイ、クラウン、ブリッジ、インプラント、特殊な外科用固定具の作成にまで及び、個々の患者の独自の解剖学的要件を満たすカスタマイズされたソリューションを提供し、医療処置の有効性と快適性を向上させます。

ハイデルベルグインストゥルメンツ
Heidelberg Instruments は、2021 年に Multiphoton Optics と合併し、ナノ流体デバイスとマイクロ流体デバイスを製造しています。同社のナノ流体デバイスは、極めて微量の液体を扱い、NanoFrazor システムのグレースケールパターン化機能を使用して製造されます。この技術の応用範囲は、DNA 配列決定からナノ粒子、タンパク質、酵素、ウイルス、または Angstrofluidics の分類、組み立て、操作まで多岐にわたります。マイクロ流体工学のアプリケーションには、創薬、ポイントオブケア診断、環境モニタリングなどの分野で使用されるラボオンチップデバイス（化学反応または生物学的反応を実行するための小型プラットフォームを提供）の開発が含まれます。より複雑な 3D 構造を作成するために、Heidelberg Instruments 社の MPO 100 2PP ナノ 3D プリンティングシステムが使用されました。

3Dマイクロプリント
ドイツに拠点を置く 3D MicroPrint は、直接金属レーザー焼結 (DMLS) を使用して、手術器具、インプラント、実験装置などの医療機器に必要な高解像度の詳細を備えた複雑な部品を製造しています。同社の独自のマイクロ 3D 印刷機能は、極めて微細な粉末をベースにしており、ミクロン単位の特徴を持つ部品を製造できるため、低侵襲手術技術用の部品を作成し、回復時間と合併症のリスクを軽減することで患者の転帰を改善できます。

マイクロライト3D
Microlight3D は、グルノーブル・アルプ大学 (UGA) からスピンオフした企業であり、2PP テクノロジーを使用した複雑なマイクロおよびナノスケールの医療用コンポーネントの製造を専門としています。結果として得られる形状は生体適合性があり、組織工学、マイクロ流体工学、細胞足場の用途に最適です。同社のソリューションは、個別化医療の進歩、薬物送達システムやラボオンチップデバイスの開発、細胞研究方法の強化に貢献しています。

△Microlight3D自社開発樹脂素材

フェムティカ
FEMTIKA は、多光子重合および選択的レーザーエッチング用のレーザー技術ソリューションを提供する企業です。同社はまた、生化学研究を含む多くの科学的用途向けに、溶融シリカガラスからマイクロ流体デバイスを製造しています。同社のラボオンチップデバイスは、ガラスとポリマーのコンポーネントを組み合わせることができるフェムト秒レーザーアブレーションと多光子重合のハイブリッド製造方法を使用して製造されています。たとえば、同社は新薬の開発と製造のためのマイクロ流体ポリマーセパレーターや、複雑な細胞構造を形成して細胞間相互作用を操作するための生物医学研究で使用できる体外肝臓モデルとしてのLiver-on-a-Chipデバイスを製造しています。

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