浙江癌病院と浙江大学：ネイチャーコミュニケーションズが新しい3Dプリント肝臓モデルを作成

出典：浙江癌病院ニュースセンター

最近、浙江癌病院肝胆膵外科の張雨華教授の研究チームと浙江大学の趙倩教授/呉静軍教授のチームが共同で、高度にパーソナライズされた新しい柔らかい3Dプリント肝臓モデルを開発しました。これは、手術の精度と安全性のさらなる向上に役立ちます。この研究は国際的な3Dプリンティングの専門家によってサポートされ、研究結果は国際学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載されました。

既存の術前評価および計画は主に 2 次元画像 (CT/MRI) と 3 次元視覚化技術に依存していますが、一定の制限があります。例えば、3次元再構成モデルは2次元画面上にしか表示できず、全体的な回転機能しか持たないため、実際の手術中の解放や牽引などの操作によって生じる肝臓の局所的な変形をシミュレートすることはできません。一方、3Dプリントされた物理モデルは、肝臓内の血管構造や病変を直感的に表示できるだけでなく、触ったり、回転したり、圧迫したり、引っ張ったりするなど、外科医がさまざまな形で各構造の空間的な位置関係を完全に理解できるため、リアルタイムのシナリオで問題を解決するための強力なサポートを提供します。

しかし、現在の3Dプリント肝臓モデルの弾性率は実際の肝臓よりもはるかに高く、その差は1～2桁あり、質感も実際の肝臓とは程遠いものとなっている。さらに、これらのモデルは一度しか切断できないため、コストがかかり、多くの労力がかかるため、実際の臨床診療での適用は大きく制限されます。

最近、浙江癌病院肝胆膵外科の張雨華教授チームと浙江大学の趙倩教授/呉静軍教授チームが「手術訓練と術前計画のための自己治癒パーソナライズ肝臓モデルの3Dプリント」と題する研究結果をNature Communications（ゾーン1のトップ総合ジャーナル、IF=16.6）にオンラインで発表しました。研究チームは、3Dプリントの材料と方法を改良することで、実際の肝臓に近い弾性率を持つ、高度にパーソナライズされた新しい柔らかい3Dプリント肝臓モデルを共同で開発しました。このモデルは、切断後に室温で迅速に修復でき、繰り返しの切除をサポートしており、現在の問題点を解決し、肝臓手術の実践における3Dプリント物理モデルの応用を促進し、手術の精度と安全性をさらに向上させることが期待されています。

張玉華教授は趙倩教授/呉静軍教授のチームと協力するための強固な基盤を持っています。彼らは長年にわたり医学と工学の学際分野の研究に取り組んでおり、多くのSCI論文を共同で発表しています。両者の日常的なコミュニケーションと議論の中で、張雨華教授は現在の3Dプリント肝臓モデルのいくつかの問題を指摘し、趙倩教授と呉静軍教授は化学物質の観点から対応する解決策を提案した。趙倩教授と呉景軍教授のチームは、非常にリアルな肝臓モデル用のエラストマー樹脂の材料設計は、弾性率/粘弾性などの調整可能な機械的特性、効率的な室温での自己修復特性、迅速な光硬化、複雑な化学処理の必要性のなさ、低コストなどの特性を同時に満たす必要があると提案しました。

彼らは、印刷前駆体として 2 つの一般的なアクリレートモノマーを選択し、硬化したエラストマーが肝臓の生体力学的特性をより適切にシミュレートできることを発見しました。 CT 3次元画像技術とデジタル光投影3Dプリントを組み合わせることで、3Dプリント肝臓モデルの迅速な個別カスタマイズを実現します。化学架橋剤を含まないため、線状ポリマートポロジーは鎖セグメントの自由な動きとそれに応じた自己修復挙動を促進し、自己修復肝臓モデルの作成に適しています。

（自己修復性エラストマーの設計と機械的特性）

自己修復肝臓モデルの製造には、CTスキャン、3次元デジタルモデルの構築、3D物理モデル印刷が含まれます。プロセスの継続的な最適化により、モデルの製造に1〜2日しかかかりません。通常の外科用メスと超音波メスの両方を使用してモデルを切断できます。修復されたモデルはすぐに元の状態に戻り、牽引やねじりなどの操作に耐える能力があります。これらの操作によって引き起こされる内部パイプの変形も、実際の肝臓の変形に似ています。

（自己修復肝臓モデルの製造プロセスと自己修復性能）

局所切除と解剖学的肝臓切除は、臨床現場で最もよく使用される2つの外科手術法です。張玉華博士のチームは、自己修復肝臓モデルで対応するテストを実施しました。結果は、切開・修復・再切開法を通じて、医師がモデル上で繰り返し試行錯誤を行い、最適な手術経路を継続的に模索できることを示しました。どちらのシナリオでも、重要な解剖学的構造を損傷から保護しながら、最終的に腫瘍の完全切除が達成されました。

（一般的な肝臓手術法の2つのシミュレーション）

臨床現場における自己修復肝臓モデルの応用価値を予備的に調査するために、張雨華博士のチームは探索的臨床研究を開始しました。前述のプロセス最適化の助けにより、趙倩教授と呉静軍教授のチームは、患者が術前のCTスキャンを完了した後、自己修復肝臓モデルを迅速に作成することができました。張玉華医師のチームは、モデルを入手した後、まずモデル上で模擬手術を実施しました。切断、修復、再切断の試行錯誤を繰り返しながら、最適な手術経路を模索し、通常の術前評価（CT/MRI画像および3次元再構成モデル）に基づいて最適な手術計画を策定しました。予備的な結果では、自己修復肝臓モデルの導入により、手術中の予期せぬ事態の発生が減少し、手術の安全性がさらに向上することが示されています。

（自己修復モデルが手術と実際の手術をシミュレート）

この研究の出版プロセスにおいて、多くの査読者から貴重なコメントと提案をいただきました。特筆すべきは、査読者の一人がギリシャのアリストテレス大学の Georgios Tsoulfas 教授であり、『3D プリンティング: 医療と外科における応用』の編集者でもあることです。この研究の結果は国際的な3Dプリンティング専門家の支持を得ており、私たちの研究が国際的に最先端レベルに達したことを示しています。同時に、研究チームはこの研究を基に、2024年浙江省「先鋒」および「先導」研究開発プロジェクトの承認を無事に取得し、関連する特許も申請中です。私たちは、これらの成果をさらに一歩進め、手術において 3D プリントされた物理モデルをより幅広く使用できるようにしたいと考えています。

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