3Dプリントされたパーソナライズされた指関節、FingerKitは指の可動性を大幅に向上させます

関節リウマチなどの関節疾患や外傷によって引き起こされる疾患は非常に痛みを伴うことがあり、診断と治療のプロセスは時に非常に苦痛を伴い、専門家のキャリアを台無しにすることさえあります。しかし現在では、科学技術が徐々に発展し、関節疾患の治療に多くの新しい方法が提案されています。 2022年12月、アンタークティックベアは、フラウンホーファー研究所の専門家連合がAIと3Dプリント技術を使用して、患者向けにパーソナライズされた関節インプラントを作成したことを知りました。

フィンガーキットアライアンス

この診断技術の開発は、FingerKIt プロジェクトのおかげで可能になりました。このプロジェクトの目標は、カスタム設計されたインプラントの製造のためのエンドツーエンドの自動化プロセスチェーンを初めて開発することです。コンソーシアムには、付加製造技術研究所 (IAPT)、セラミック技術・システム研究所 (IKTS)、毒物学・実験医学研究所 (ITEM)、材料力学研究所 (IWM)、デジタル医学研究所 (MEVIS) も含まれており、各グループがそれぞれの専門分野をプロジェクトに持ち込んでいます。

フラウンホーファー IAPT のリーダーシップの下、チームは認証テストに準拠した患者固有のインプラントの設計から生産、製造まで、継続的に自動化されたプロセスチェーンを初めて実装しました。このプロジェクトの取り組みは、指関節インプラント市場の継続的な発展に重点を置いています。比較的小さなインプラントは、個々の適応と生体力学的負荷に関して高い要求が課せられます。したがって、関節リウマチの場合であれ、外傷の場合であれ、従来の治療法では関節の硬直につながることが多いのです。関節疾患に対する新たな治療法を提供し、個別に調整された関節インプラントを通じて指関節の回復運動を実現することが可能になりました。これはコンソーシアムの中核的な技術目標でもあります。

△連続自動化プロセスチェーン

プリントされた指関節インプラント

△ AIによる3Dモデリングとカスタムサイズへの印刷（画像提供：フラウンホーファー研究所）

現在、事故や怪我により指の関節の機能が失われた場合、治療の選択肢は限られています。ほとんどの場合、複合固定手術が行われます。関節固定術とも呼ばれるこの手術では、損傷した関節を手動でまっすぐにし、軟骨を除去して、骨が自然に癒合するまで十分な長さで所定の位置に固定します。しかし、これにより指が自由に曲がったり動いたりできなくなります。

従来のインプラントでは選択肢が限られています。患者はシリコンインプラントを選択することもできますが、緩むリスクがあり、修正するにはさらに手術が必要になります。あるいは、患者は標準的なインプラントを選択することもできますが、特定の標準サイズでしか利用できず、関与する指の可動域を完全に回復できない可能性があります。

したがって、最適なソリューションには、従来のインプラントに関連するこれらの両方の欠陥に対処するソリューションが必要です。つまり、最良の関節とは、緩まず、指が完全な可動域を取り戻すことができる関節のことです。この目的には、カスタムメイドのパーソナライズされた指インプラントが最適な解決策です。これこそが、FingerKIt Alliance が AI と 3D プリントの共同製造アプローチで実現しようとしていることです。

フラウンホーファーのエンジニアと科学者によって開発されたワークフローは、大部分が自動化されており、人的労力を大幅に削減します。

●具体的には、研究者らは人工知能を利用して2DのX線画像を指の骨と関節の3Dモデルに変換するソフトウェアを開発しました。損傷した関節に対する修正は、3D モデルで行うことができます。

●その後、フラウンホーファーIAPT（AMグループ）の研究者らはAIを使用して指のモデルから個別のインプラントの設計を導き出し、3Dプリントに送りました。

次に、金属バインダージェッティングプロセスを使用して、交換用ジョイントを高解像度で製造します。焼結、固化、緻密化は、Fraunhofer IKTS のエンジニアによって実施されました。組み立て後、ニアネットシェイプのコンポーネントを仕上げることで、粗さを軽減し、患者に植え込んだときの動きを良くすることができます。

「インプラントシャフトの構造が非常に微細であるため、小型で複雑なインプラントを極めて正確に製造できる金属バインダージェット 3D 印刷法を使用してチタンを印刷することにしました」と、フラウンホーファー IAPT の積層造形プロセス認定部門の責任者であるフィリップイングルンド博士は述べています。「この方法により、シャフトの表面をより効果的に骨に成長するように構造化することもできます。さらに、これにより、できるだけ滑らかで摩擦のない状態にする必要がある接合面の仕上げ作業が最小限に抑えられます。」

フラウンホーファーIKTS（セラミックスグループ）は、スリップキャスト法で加工されたセラミック材料から作られたインプラントも発表しました。 Fraunhofer ITEM（毒性学グループ）は材料の生体適合性とインプラントの認証に取り組んでおり、Fraunhofer IWM（材料力学グループ）はコンポーネントの機械的シミュレーションを実行しています。

有望な未来
フラウンホーファーアライアンスの新しいワークフローにより、従来の方法に比べてわずか 60 パーセントの時間で、高度にカスタマイズされたコンポーネントの製造と埋め込みが可能になります。つまり、X 線撮影からインプラントまでの全プロセスをわずか数日で完了できるということです。これにより入院期間が短縮され、病院の費用も削減されます。

このワークフローは曲がった指に適用されるだけでなく、骨が欠損している患者や関節が小さい患者にも適用できます。ドイツリウマチ学会によれば、ドイツでは成人の約2%が炎症性リウマチ性疾患を患っており、フラウンホーファー法で治療できるとのこと。

FingerKIt プロジェクトの技術開発は、現在、製品とプロセスを市場に投入できる成熟段階に達しています。このプロジェクトは現在、必要な承認の取得に取り組んでおり、FingerKIt を市場に投入するために医療工学分野の企業との提携も模索しています。

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