3D プリント医療アプリケーションの有望なフロンティアを探索しましょう。

この投稿はCoco Bearによって2023-12-28 22:20に最後に編集されました。

技術の進歩とヘルスケアの革新が交差する時代に、3D プリント医療アプリケーションの分野は変化の波の最前線に立っています。 2024 年に最も進歩が期待される分野としては、カスタム設計されたインプラントやプロテーゼ、高度な薬物送達システム、患者固有の解剖学的構造の 3D プリントモデル、生体吸収性デバイス、ウェアラブルセンサーなどがあります。

今後 10 年間で予期せぬブレークスルーが起こる可能性が高まっており、医療分野における付加製造技術の能力と応用がさらに拡大することが期待されます。業界が人口の高齢化、医療費の高騰、個別治療の必要性などの課題に取り組む中、3D プリンティングは革新的な力として台頭しています。今日、3D プリンティングは医療現場における当初の目新しさを超え、患者ケアの範囲を拡大する可能性のあるアプリケーションを提供しています。この分野の拡大は目覚ましいものがありますが、規制上のハードル、技術的な制限、倫理的な議論などの課題がないわけではありません。しかし、医療の進歩と患者の転帰の改善に向けた継続的な取り組みにより、 3D プリンティングの勢いが高まっています。

この記事では、この 10 年間で患者ケアに革命をもたらし、医学の新たな章への道を開く可能性のある、3D プリント医療アプリケーションにおける 3 つのイノベーションについて詳しく説明します。

3Dプリントされたマイクロロボット<br /> 3D プリントされたマイクロロボットは、低侵襲手術において強力なイノベーションとなります。この革命的な分野を先導しているのは、ロボット工学とインテリジェントシステムの分野のベテランであるETHチューリッヒのブラッド・ネルソン氏で、2023年12月にサイエンス誌に発表された論文で20年間の歩みをまとめています。彼のマイクロロボットは、人体内での薬物送達を再定義し、高精度の治療を実現する可能性を秘めています。これらのマイクロロボットは、サイズがマイクロメートルから数ミリメートルに及び、合成、生物、またはバイオハイブリッド材料で構成することができ、腫瘍や血栓などの疾患部位まで移動して薬剤を直接放出し、薬物療法に通常伴う全身毒性を軽減することができます。ネルソン氏は、バイオメディカルマイクロロボットが標的治療における現在の課題を克服できる可能性があると述べた。

△3Dプリントされたメタロボットは、自ら動き、感知し、判断することができます。

しかし、この画期的な作品は単独で生まれたものではありません。世界中の他の機関もこの分野に貢献しています。たとえば、タフツ大学とハーバード大学のワイス研究所は、自律的に動き、ニューロンの成長を刺激できる 3D プリントされたマイクロロボットの開発に取り組んでいます。カリフォルニア大学バークレー校とジョンズ・ホプキンス大学もそれぞれ医療分野におけるマイクロロボットの研究を行っている。ソウル国立大学による体液内を移動できるマイクロロボットの研究は、低侵襲手術のこの分野に革命を起こすための国際協力の取り組みを強調するものである。

ネルソン氏は、マイクロロボットを研究室から診療所に移す際にはシンプルさが重要だと指摘する。韓国の研究者らが、3Dプリントされたマイクロロボットが自律的に血管内を移動し、豚の外科手術を行えることを実証したことを受けて、医療用マイクロロボットの分野は前臨床の場で進歩を遂げた。 IEEE Robotics & Automation Letters に掲載されたこの進歩は、死亡の主な原因である閉塞性血管疾患の治療における課題に取り組んでいます。

しかし、これらの有望な進歩にもかかわらず、技術的および規制上の課題が、その広範な臨床応用を妨げ続けています。医療機器および薬物送達システムとしてのマイクロロボットは、独特の規制環境に直面しており、主にその新しい薬物とデバイスの組み合わせの性質により、米国食品医薬品局 (FDA) およびその他の機関の基準を満たすためにさらなる研究が必要です。

神経接続<br /> 神経系 3D プリントバイオエレクトロニクスインターフェースに関する現在の研究では、特に神経系インプラントの開発において明らかな進歩が見られます。バイオエレクトロニクスインターフェースは、電子システムと生物学的機能を接続するデバイスとして設計されており、テクノロジーと人体の間のギャップを埋めます。オックスフォード大学とシェフィールド大学のチームがこの分野をリードしています。オックスフォード大学の研究チームは、ヒト幹細胞を3Dプリントし、マウスの脳組織と統合する組織構造を作成することに成功した。これは、脳の損傷を修復し、人間の脳に対する理解を深める可能性があることを示唆しています。

代わりに、シェフィールドのチームは、動物モデルにおける脊髄刺激用のインプラントのカスタマイズに焦点を当て、将来的に麻痺の治療に応用できる可能性を示唆しました。これらの進歩は主に前臨床段階にあり、神経疾患に対するより個別化された効果的な治療への一歩となります。しかし、研究室からベッドサイドでの応用への移行はまだ進行中であり、私たちはこれらの技術を人間の患者に実際に使用できるように完成させるべく継続的に取り組んでいます。

この技術革新のもう一つの具体的な例は、英国ランカスター大学で行われた研究に明らかです。研究者たちは、ジョン・ハーディの指導の下、柔軟な電子機器を生体適合性材料に統合する高度な3Dプリント法を開発した。学術誌「Advanced Materials Technologies」に掲載されたこのプロジェクトは、外科用インプラントや医療機器の修理のための複雑な3D電子機器の製造における飛躍的な進歩を示すものであり、チームはシリコンベースの柔軟なマトリックスに回路を埋め込み、それをマウスの脳切片に接続して神経反応を刺激することに成功した。研究者らは、導電性構造をミミズに直接印刷するまでにまでこの技術を拡張し、生体との適合性を実証した。

ランカスター大学の先駆的な研究により、神経モニタリングや個別化医療に使用するカスタマイズされたバイオエレクトロニクス機器の開発への新たな道が開かれました。これは医療用バイオエレクトロニクスインターフェースの明るい未来を告げるものです。

心臓病の治療<br /> 心臓病は世界中で主な死亡原因の一つですが、バイオエンジニアリングにおける 3D プリント技術のおかげで、心臓病は革新的な方法で治療することができます。カスタム 3D プリント心臓弁は、この革命の最前線にあります。このイノベーションは、心臓弁膜症を患う 3,000 万人以上の患者に希望をもたらし、現代の最も差し迫った健康課題のいくつかに対処するための大きな前進となります。 3Dプリント心臓弁はまだFDAの承認を受けておらず、臨床応用も開発段階にあるが、その可能性は非常に大きい。

米国だけでも毎年 182,000 件を超える弁置換手術が行われており、2026 年までに米国における心臓弁置換手術の件数は 240,000 件を超えると予想されています。個々の患者の解剖学的構造に合わせて調整された 3D プリント弁は、特に小児患者の場合、手術の結果を改善し、将来の手術の必要性を減らす可能性があります。

現在の心臓弁は、多くの場合、重大な制限を伴う永久的な装置です。急速に成長する小児患者の場合、インプラントが小さくなりすぎて、交換の必要性が高まる可能性があります。 3Dプリントされた心臓弁はすでに存在し、インプラントには生体吸収性材料が使用されているが、この2つはまだ組み合わせられていない。

ジョージア工科大学の研究者たちは、合併症や再介入を減らすように設計された、患者固有の生体吸収性心臓弁の開発を先駆的に進めています。永久的なデバイスとは異なり、これらの 3D プリント弁は、時間の経過とともに体の組織に吸収され、置き換えられるように設計されています。この技術は、弁が患者に合わせて適応し成長することができるため、複数回の手術の必要性が減る可能性があり、特に子供にとって有益となる可能性がある。弁はポリマーと金属材料の組み合わせで作られており、それぞれが患者の組織の特定の機械的動作に合わせて選択されています。設計プロセスでは、患者の解剖学的構造、年齢、状態、および望ましい送達メカニズムを詳細に考慮する必要があります。

△プロトタイプの繰り返し（左）。生理的な大動脈血流の条件下で弁が閉じる（中央）および開く（右）様子を、脈拍複製装置で視覚化します。

機能上の利点に加えて、製造業者はこれらのバルブを表面レベルでカスタマイズして、周囲の組織との統合を強化し、細胞の成長を促進することができます。カナダのサント・ジュスティーヌ病院の研究者たちは、拒絶反応が起きにくい完全に個別化されたソリューションを生み出すために、これらの弁にハイドロゲルと患者由来の幹細胞を使用する方法を研究している。この「個別化医療」アプローチは、さまざまな心血管疾患や症状の治療に革命を起こす可能性を秘めています。

3Dプリント心臓弁はまだ実験段階にあり、進行中の動物実験と人間に対する臨床試験は約10年以内に開始されると予想されている。この画期的な進歩により、世界中の何百万人もの心臓病患者の生活の質と治療結果が大幅に改善される可能性があります。これらの弁を個々の患者の解剖学的構造や状態に合わせてカスタマイズできるため、手術の成功率が向上します。これにより、先天性心疾患や弁狭窄症など、さまざまな心血管疾患の治療に新たな可能性が開かれます。

△カナダのセントジャスティン病院の研究者が3Dプリント心臓弁を製造

結論として、3D プリント医療アプリケーションのこの進歩は、医療における 3D プリントの可能性と、大陸や研究機関をまたいだ研究の協調的かつダイナミックな性質を示しており、ヘルスケアと患者ケアの新しい時代の到来を告げています。

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