バイオセラミック人工骨の製造における昇華3次元PEP技術の応用

自家骨は骨欠損修復の「ゴールドスタンダード」として知られていますが、希少性、複数回の手術、形状の制御の難しさなどの要因により、骨欠損修復への応用は限られています。同種骨は免疫拒絶の大きなリスクに直面しています。人工骨は間違いなくより理想的な代替品となっています。人工骨に使用できる材料には、金属、ポリマー、セラミックなどがあります。人体で長期間腐食した後に金属骨から放出される金属イオンは、人体の神経系と内分泌系に深刻な害を及ぼします。ポリマー人工骨は機械的特性が低く、応力緩和やクリープの問題が発生しやすいため、バイオセラミック人工骨に注目が集まっています。

バイオセラミック人工骨材料の特徴と従来の作製における難しさ

バイオセラミックスは、その優れた生体適合性により幅広い注目を集めています。金属人工骨に次ぐ理想的な人工骨欠損修復材です。バイオセラミック材料は、アルミナやジルコニアに代表される生体不活性セラミック、生体活性ガラスやハイドロキシアパタイトに代表される生体活性セラミック、リン酸三カルシウムに代表される生分解性セラミックの3つのカテゴリーに分類できます。さまざまなバイオセラミックにはそれぞれ独自の特性があり、たとえば、アルミナセラミックは硬度が高く、ジルコニアセラミックは靭性が高く、ハイドロキシアパタイトの化学組成は人間の骨の無機部分に非常に似ています。しかし、セラミックにはすべて共通の欠点があります。それは脆いため、従来の技術で加工するにはコストがかかり、複雑な構造に成形するのが難しいということです。

△従来の人工骨加工従来の人工骨の製造方法としては、造孔剤法、射出成形法、発泡法などがあります。しかし、自然の骨は見た目が非常に不規則なだけでなく、人によっても異なります。内部構造も比較的複雑で、部位によって密度が異なります。従来の加工方法では内部の微細多孔構造を加工することが難しく、製品が個々の患者のニーズを満たさない可能性があります。そのため、人工骨の構造を天然の骨に似せることは極めて困難です。

3Dプリントバイオセラミック人工骨の利点

バイオセラミック人工骨の3Dプリントは近年注目されている研究テーマであり、その中核となる技術的優位性は「バイオニクス」にあります。理論的には、3D プリント技術は患者の骨欠損部位に適合するあらゆる形状の骨構造を作成できます。パーソナライズ、カスタマイズ、統合、複雑な人工骨の作成が可能になり、バイオメディカル分野における個別治療のニーズを満たすことができます。また、3Dプリントモデリングとトポロジー最適化により、良好な機械的特性を確保しながら、内部の微細孔構造の数、サイズ、分布を効果的に制御し、人間の骨組織に似た相互接続された微細孔構造を印刷し、細胞や繊維などの新しい骨組織の成長のための成長空間を提供し、骨の修復プロセスを加速します。

△3Dプリントされた骨構造
バイオセラミック人工骨の製造におけるPEP技術の応用

国内有数の金属/セラミック間接3Dプリント総合ソリューションプロバイダーであるSublimation 3Dは、独自に開発した粉末押出3Dプリント技術（PEP）に基づく3Dプリント装置を使用して、高強度、高秩序、高度に制御可能な気孔分布と気孔構造を備えたバイオセラミック人工骨のプリントを実現します。

生体適合性

バイオセラミック 3D プリントで使用されるセラミック材料は、ハイドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム、および骨に最も近いその他の合成材料です。生体適合性が良く、刺激がなく、拒絶反応もありません。骨伝導特性と患者の身体による拒絶反応のリスクが最小限であることから、医療分野ではよく知られています。

痛みのない精度

セラミック 3D プリント技術のカスタマイズ機能により、外科医は患者の骨欠損の形態に基づいて骨組織コンポーネントとインプラントをカスタマイズできます。機械加工が減り、痛みを伴う追加手術が回避されるため、3D プリントによって手術の複雑さが軽減され、インプラントの生物学的反応が改善され、コストが削減されることが予測されます。

△ バイオセラミックインプラント（サンプル提供元：Sublimation 3D）
ユニークな多孔性

昇華型 3D 印刷装置は、バイオセラミック人工骨の微細孔の位置と形状を制御でき、製品の圧縮強度と孔サイズの要件はインプラントの要件を満たします。 3次元多孔質構造は骨芽細胞の接着と増殖を促進し、組織液、細胞、成長因子が材料内に入り込み、新しい骨組織の成長に有益です。製品は均一な孔サイズを持ち、相互接続されています。

△多孔質構造設計（サンプル提供元：Sublimation 3D）
製造科学、材料科学、力学、生命科学、再生医療などの複数の分野の相互統合により、付加的に製造されたバイオセラミック人工骨は、その独自の利点により臨床応用の幕開けを告げるでしょう。昇華3Dは、バイオセラミックスの製造と応用を実現するだけでなく、ステンレス鋼、銅および銅合金、タングステンおよびタングステン合金、チタンおよびチタン合金、高温合金、超硬合金、耐火金属、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素などの特殊セラミック材料に至るまで、金属材料の印刷もサポートしており、3D印刷が大規模に応用市場に参入するための好ましい客観的条件を作り出しています。

バイオセラミック人工骨の製造における昇華3次元PEP技術の応用

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