骨欠損治療のための3Dプリントの研究の進歩

出典: 上海バイオロード

骨欠損は一般的な臨床疾患であり、手術の難しさ、治療サイクルの長さ、多くの合併症が特徴です。骨欠損の修復をいかに迅速かつ効果的に促進するかは、臨床医が直面する大きな課題です。骨欠損に対する現在の治療法は、骨延長術や骨移植技術などの外科的治療が中心となっています。近年、医療分野でも3Dプリンティングの利用が増えています。この記事では、骨欠損の治療における 3D プリントの応用についてレビューし、研究の展望とともに 3D プリントされた組織工学スキャフォールドに焦点を当てます。

骨欠損修復手術前の3Dプリントの応用材料工学と医療画像技術の継続的な発展により、コンピュータ支援設計を通じて3次元再構成が行われ、パーソナライズされたシミュレーションに基づいて、まったく同じサイズと形状のソリッド3次元モデルが製造されます。骨欠損修復における術前診断と手術モデルの応用は、直接的または間接的に手術の精度を向上させます。

骨欠損を修復するための3Dプリント骨インプラント

臨床現場でよく使用される骨インプラント 自家骨移植: 自家骨移植は、完全な組織適合性を維持しながら、必要な特性をすべて備えているため、骨欠損の修復における「ゴールドスタンダード」です。成長因子の存在により骨形成性および骨誘導性があり、組織適合性が非常に高く、構造的サポートを提供し、生きた骨芽細胞を含み、病気を伝染させません。自家骨移植を使用する場合の欠点は、供給量が限られていることと、大量の自家骨移植を行うと骨吸収が起こりやすいことです。自家骨を採取すると、時間と出血量が増加し、全身麻酔が必要になる可能性があるため、手順が複雑になります。ドナー部位の潜在的な合併症としては、感染症、長期にわたる創傷排液、再手術、6 か月以上続く痛みや感覚喪失などがあります。

同種骨移植：同種骨は供給源が豊富で、形状や大きさに制限がないため、現在では臨床現場で広く使用されています。しかし、同種骨は組織適合性が低く、拒絶反応があり、骨形成は完全に宿主細胞の侵入に依存しています。同種骨の大きな片の深部血行再建は非常に遅く、死骨になることがよくあります。また、再骨折の発生率が高く、長期使用では多数の失敗記録が確認されています。

3D プリントによるパーソナライズされたカスタムボディ義肢インプラント 骨欠損の再建方法には、同種骨移植、自家骨移植、補綴修復などがあります。その中でも、補綴修復は見た目が美しく、動きが早く、安定性が良好で、機能回復が良好という利点があります。

大きな骨欠損の修復における 3D プリントの応用 大きな骨欠損は先天性欠損、外傷、感染、骨腫瘍などによって引き起こされ、治癒期間中に癒合遅延または癒合不全を引き起こす可能性があります。 3D プリンティングは、大きな骨欠損の治療においてますます重要な役割を果たしています。複数の患者の臨床データから、3Dプリント人工関節は骨腫瘍切除による大きな骨欠損の再建に有効であり、術後機能が良好で合併症が少ないことが示されています。3Dプリント人工関節の移植により、骨の解剖学的再建と生体力学的安定性の再建を実現でき、効果的な介入措置により患者の術後合併症の発生を減らすことができます。その場での3Dプリントロボットは、人工骨組織工学インプラントを迅速かつ正確に実行でき、術後の回復効果が良好で、臨床応用に大きな期待が寄せられています。

3D プリントされた多孔質足場 骨組織工学は、骨の修復と再生を促進するために、足場を使用して細胞を移植したり、生物活性成長因子を添加したりする分野です。主な研究内容には、足場材料、シード細胞、骨形成因子などが含まれます。骨組織工学のスキャフォールドは、機械的および構造的要件を満たすだけでなく、生物学的特性も満たす必要があります。これらの制限を克服するために、金属材料、ポリマー材料、または生体活性セラミック材料を組み合わせて、生体適合性、生分解性、骨伝導性、機械的強度など、スキャフォールドのさまざまな要件を満たす複合材料を構築することができます。

金属ブラケット 金属は生体適合性、耐疲労性、機械的特性に優れているため、骨組織工学で広く使用されています。現在、一般的な金属ステント材料には、チタンとその合金、コバルト、ニッケル合金などがあります。すべての金属材料の中で、チタンとその合金は現在最も広く使用されている金属ステント材料です。優れた生体適合性、信頼性の高い機械的特性、耐腐食性を備えているため、整形外科用インプラントの製造に広く使用されています。生分解性のあるもう一つの金属はマグネシウムです。研究によると、マグネシウム合金は他の金属インプラントと比較して、機械的強度や弾性率などの物理的特性が高く、天然の人間の骨に近いだけでなく、骨形成能力にも優れていることがわかっています。

バイオセラミックス足場 バイオセラミック材料は金属と非金属の成分を含み、生体適合性、適度な生分解性、固有の骨誘導能力に優れ、化学的性質は骨に似ており、圧縮強度が高く延性が低いため、3Dプリントで広く使用されています。一般的に使用されるバイオセラミック材料には、ハイドロキシアパタイト、β-TCP、ケイ酸カルシウム、二相性リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウムなどがあります。リン酸カルシウムは天然骨組織の主成分であり、幹細胞および骨前駆細胞における骨形成を刺激することが示されています。リン酸カルシウム誘導体から放出されるリン酸イオンは、幹細胞の骨形成分化を誘導する上で重要な役割を果たします。 β-TCP は一般的なリン酸カルシウム材料であり、生分解性が優れているため骨の再生によく使用されます。

ポリマーブラケット ポリマーは、組織工学の足場を製造するための生体材料として広く使用されており、天然のものでも合成のものでもかまいません。フィブリン、ヒアルロン酸、キトサン、コラーゲンなどの天然ポリマーは、人体の小分子成分に類似した構造を示し、高い生体適合性、優れた生分解性、骨伝導性、低い免疫原性を備えています。合成ポリマーは天然ポリマーに比べて機械的強度が優れ、加工性が高く、分解速度が制御可能で、分解生成物の毒性が低く、完全に代謝できます。これらの合成ポリマーには、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリエチレングリコール、PLGAなどが含まれ、これらの制御可能な特性を利用して、特定のニーズや用途に合わせてカスタマイズされたスキャフォールドを作ることができます。

複合ブラケット 複合材料は、それぞれが特定の利点と特定の欠点のみを示す、異なる特性を持つ 2 つ以上の材料を組み合わせて作られます。この組み合わせは、コポリマー、ポリマー-ポリマーブレンド、またはポリマー-セラミック複合材料の形態をとることができる。人骨は無機 HA 結晶と有機コラーゲン繊維の混合物でできた複合材料であるため、多くの複合スキャフォールドの中でも、ポリマーセラミック複合材料はバイオニクスにおいてより多くの利点を持っています。 PCL と β-TCP で構成された 3D プリント複合スキャフォールドをウサギの大腿骨頭の裂溝に移植しました。対照群と比較して、複合スキャフォールドは新しい骨の成長を促進する能力が高かった。この 3D プリント β-TCP/PCL スキャフォールドは、初期の大腿骨頭壊死の治療に有望な吸収性インプラントとなる可能性があります。

要約と展望 骨欠損修復の分野では、3Dプリント技術が広く使用されており、主に術前計画やシミュレーション手術に使用されており、手術の難易度が低減し、手術時間が短縮され、手術外傷が軽減され、術後の回復が促進されます。 3D プリントされたインプラントやプロテーゼは、同種骨や自家骨では修復が難しい、大きく複雑な骨欠損の修復の問題を解決できます。組織工学の足場を準備するために 3D 印刷技術を使用する研究分野は、急速に発展しています。将来、新しい技術や生体材料が登場し、微細構造が最適化されると、最終的には、これらの 3D プリントされた組織工学の足場が、骨欠損患者の生活の質を向上させる機会を与える鍵となる可能性があります。

元の URL: http://www.cjbjs.com/WKD/WebPubl ... 6-a818-ef97b19a1f1b

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