骨腫瘍の精密治療における3Dプリント技術の研究の進歩

出典: 生物学的整形外科材料と臨床研究著者: 張昭、空軍医科大学付属西京病院整形外科

過去数十年にわたり、術前化学療法、画像検査、外科手術の進歩により、四肢温存手術が悪性骨腫瘍の治療における最良の選択肢となりました。従来の腫瘍手術では、腫瘍の不完全な切除やプロテーゼの不正確な適合により、局所再発、プロテーゼの緩み、感染などのリスクが生じる可能性があります。 3Dプリント技術を整形外科手術に応用することで、骨腫瘍手術の従来の概念が完全に変わり、その精度、安定性、安全性により、正確な腫瘍切除と個別化された再建が可能になります。

3D プリント技術は、積層造形とも呼ばれ、事前に設計された形状に基づいて層ごとに連続的に積み重ねて製造されるラピッドプロトタイピング技術の一種です。 3D プリント製品は、あらゆる分野でますます多く登場しています。3D プリント技術は、さまざまな臨床分野で広く使用されており、実践において大きな成功を収めています。整形外科で一般的に使用される積層造形技術には、ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結、熱溶解積層法などがあります。骨腫瘍は重要な関節に発生することが多く、解剖学的構造が複雑なため、手術中に重要な神経や血管を損傷しないように正確に腫瘍を除去する必要があります。さらに、腫瘍切除後の欠損部の形状が不規則なため、再建が非常に困難になります。現在、3D プリント技術は骨腫瘍の外科治療に統合されており、同時にさまざまなデジタル整形外科技術の支援と組み合わせることで、患者に正確な治療計画を提供しています。この記事では、骨腫瘍手術における 3D プリント技術の応用の進歩についてレビューします。

△出典：武漢協和病院
デジタル整形外科技術の概要<br /> デジタル整形外科は、コンピューターデジタル技術と整形外科の診断および治療を統合して正確な外科治療を実現し、外科医と患者により良い選択肢を提供する、新たな学際的な分野です。現在、骨腫瘍の外科治療では、3Dプリント、画像融合、コンピューターナビゲーション、有限要素解析などのデジタル整形外科技術が一般的に使用されており、従来の骨腫瘍手術に存在する多くの問題を解決しています。 3D プリント技術は骨腫瘍の臨床治療において満足のいく結果を達成していることは注目に値しますが、まだ改善が必要な問題がいくつかあります。そのため、近年、多くの学者が3Dプリント技術を中核とし、その他のデジタル整形外科技術と補助的な応用を組み合わせた精密外科治療戦略を提案しています。これにより、患者の状態をより科学的に評価し、最適な手術戦略を策定し、より正確な腫瘍切除と欠損再建を実現し、患者に朗報をもたらします（図1参照）。

骨腫瘍の術前計画における 3D プリント技術の応用<br /> 骨腫瘍の手術では、3D プリントされた解剖モデルを使用するのが、腫瘍の切除を支援する最も簡単な方法です。 3Dプリントモデルは、手術前に患者のCTとMRIデータを取得して対象領域の解剖学的構造を特定し、専門ソフトウェアを使用してセグメント化してデジタル3Dモデルに変換します。臨床ニーズに応じて適切な材料を選択し、モデルの準備を完了します。 2D画像と比較して、3Dプリントモデルは骨腫瘍の境界と周囲の解剖学的構造をより立体的かつ直感的に反映できるため、外科医は腫瘍の実際の大きさを感じ、より正確な診断と手術計画を立て、手術中に重要な血管と神経をより適切に保護し、術後の合併症を回避することができます。孔金海らは脊索腫切除における3Dプリントモデルの臨床応用を報告した。手術前の薄層CTデータから作成された3Dプリントモデルは、病変の位置と解剖学的構造をうまく表示し、外科医が腫瘍の境界と正常組織の関係を直感的に理解できるようにし、術前の手術計画の策定をうまく導くことに成功した。

CTデータを使用して3Dモデルを再構築し、病変部位を特定することができますが、CTデータでは軟部組織構造を正確に区別することができず、手術中にデータと実際の腫瘍の間には依然として一定の誤差があります。そのため、一部の学者は、CTデータとMRIを統合してモデリングし、それぞれの利点を十分に発揮し、軟部組織と骨などの硬組織を明確に提示し、特定の領域の腫瘍切除をより現実的にし、手術の効率と安全性を向上させることを提案しています。 Zhang Ya らは、核磁気共鳴による軟部組織の自然な画像化を利用して、3D MRI シーケンスと CT モデリング登録を組み合わせて、仙骨腫瘍の解剖学的構造を完全に再現しました。仙骨は骨盤内臓器に隣接しており、複雑な神経や血管が伴っています。3Dプリントモデルでは、異なる構造がさまざまな色で区別されており、外科医は腫瘍と神経や血管の空間関係をより深く理解できます。これは、医師の術前計画とシミュレーションを効果的に支援し、手術の有効性を確保しながら切除と再建の精度を向上させ、手術時間を短縮し、合併症の発生を減らします。 Cherkasskiyらは、熱溶解積層法（FDM）技術とABS樹脂繊維を組み合わせて3Dプリントした近位大腿骨モデルを作製した。ハニカム充填パターンの印刷パラメータを設定することで、実際の骨切り術の抵抗をシミュレートした。このモデルは近位大腿骨骨切り術の計画と臨床応用に使用され、良好な手術結果を達成した。このモデルは、外見の類似性から精神の類似性への転換を実現し、外科医に複雑な手術の術前シミュレーションの問題を解決するための新しいアイデアを提供した。さらに、当センターでは医学生の臨床教育に3Dプリントされた腫瘍モデルを使用しており、医学生が骨腫瘍手術の手順と関連する解剖学的構造をより直感的に深く理解できるようにしており、臨床教育における幅広い応用が期待されています。 3D 印刷技術と画像融合技術の進歩により、3D 印刷モデルは従来の技術の限界を打ち破り、術前計画に大きな可能性をもたらしました。著者は、骨組織の質感をシミュレートできる材料と印刷技術が次の研究方向になると考えています。

3Dプリント技術は手術中の骨腫瘍の正確な治療に役立ちます
正確な腫瘍切除における 3D プリントガイドの応用骨腫瘍手術を成功させる鍵は、正常な骨組織、重要な腱、靭帯を可能な限り保持しながら腫瘍を正確に除去し、患者の術後の機能回復を確実にすることです。 3D プリントされたパーソナライズされたガイドを適用することで、外科医は術前計画をより正確に実行し、手術中に正確な骨切り術を実現できるため、従来の外科手術モデルが変わります。手術前に患者の画像データを使用して病変領域を3次元的に再構成し、腫瘍の切除と再建をコンピュータでシミュレーションして腫瘍切除の範囲と境界を決定します。これに基づいて、患者の解剖学的構造と手術の必要性に応じてガイドが設計されます。腫瘍切除の際には、腫瘍部位の骨の特性に基づいて腫瘍部位に取り付けられた骨切りガイドプレートを設計し、骨切りが必要な領域に溝状の構造を設計することで、正確な術中位置決めに基づいて骨切りを行うことができます。

これまでの研究で、当センターは手術中にさまざまな印刷技術と材料で作成されたガイドの利点と欠点を評価し、対照群と比較しました。3D 印刷ガイドの使用により、手術時間が大幅に短縮され、術中の透視回数が減ったことがわかりました。術後の画像評価では、腫瘍が完全に除去され、良好な再建結果が得られました。王らは、膝関節周囲の悪性骨腫瘍の切除と再建における3Dプリントガイドの臨床的価値を研究した。その結果、ガイドの使用により、術中の出血量と骨切り長が大幅に短縮され、合併症のリスクが軽減され、長節骨欠損の正確な切除が達成され、膝再建の安定性が向上し、手術後の膝関節の機能回復が効果的に改善されることが示された。 Park らは、3D プリントガイドを使用して四肢温存手術を受けた 12 人の患者を遡及的に分析し、すべての患者の病理学的生検マージンは陰性であり、最大誤差は 3 mm を超えないことを発見しました。3D プリントガイドの使用により、正確な腫瘍切除が達成されました。 3Dプリントガイド支援腫瘍切除術は良好な臨床結果を達成していますが、骨切り面の複雑さが増すにつれて、手術中のガイド位置決めの精度が低下し、骨切り誤差が増大し、再建に一定の課題が生じています。そこで、ウォンらは、コンピューター支援ナビゲーション技術と3Dプリントガイドを組み合わせて、関節温存骨腫瘍手術に新たなアイデアを提供することを提案した。術中コンピューターナビゲーションは、医師にリアルタイムの画像フィードバックを提供し、ガイドの位置を確認して、腫瘍切除を正確に誘導し、関節骨肉腫の正確な切除を達成し、優れた術後機能回復を達成することができる。当センターでは、骨盤腫瘍切除後の寛骨臼再建と位置決めに、ナビゲーション技術と3Dプリントガイドを組み合わせて使用しています。研究により、この併用により、ナビゲーション技術のみを使用する場合の複雑な手順と、ガイドのみを使用する場合に発生するエラーを回避できることがわかっています。術後の評価では、寛骨臼の位置が良好で、再建結果が生理学的再建に近く、患者の機能回復が満足のいくものであることが示されています。 3Dプリントガイドは、手術効率を大幅に向上させ、合併症の発生率を減らすことができます。コンピューター支援ナビゲーション技術と組み合わせることで、腫瘍切除の精度をさらに向上させ、術後の良好な再建効果を達成することができます。

3D プリントされたプロテーゼとインプラントの個別再建への応用骨腫瘍、特に悪性骨腫瘍の患者にとって、腫瘍切除後の骨欠損の再建は常に外科医にとっての課題であり、従来の再建方法には独自の限界があります。 3Dプリント技術は、私たちに新たな選択肢を提供します。リバースエンジニアリングの原理を利用して、健側の正常な解剖学的構造に基づいて患側の骨欠損部のプリントをガイドします。同時に、材料の強度、表面形態、重量などの全体的な設計を行い、骨欠損部の形態と一致し、腫瘍切除後の骨欠損部の再建に対応する機械的強度を備えたプロテーゼを設計およびプリントします。設計が確定する前に、有限要素解析支援モデリングを使用して、人工関節構造が生理学的負荷に耐えられるかどうかをテストし、設計を最適化して、人工関節の重量を軽減し、周囲の軟部組織の成長を促進しながら、被覆軟部組織への刺激、応力集中、応力遮蔽を最小限に抑え、正常な解剖学的および生理学的構造を回復することができます。即時安定性と長期安定性という目標を達成するために、金属 3D プリントは複雑な形状と内部多孔質構造を持つインプラントを製造できます。内部構造はミクロンレベルで制御できます。多孔質構造は、プロテーゼと残りの骨接触面との骨の統合を促進し、早期の骨の成長を促進し、プロテーゼに優れた機械的および生物学的特性を与えます。

Zhao らは、悪性腫瘍の切除後の大きな骨欠損の再建に 3D プリントされたパーソナライズされた人工関節を応用したことを報告しました。この研究では、すべての患者で人工関節と骨の界面で骨の統合が起こったことがわかりました。人工関節の多孔質構造により、患者は早期に生物学的安定性が得られ、すべての患者が満足のいく四肢機能を達成しました。同時に、当センターは血管付き腓骨とバイオセラミック技術を組み合わせた3Dプリント義肢複合材を開発しました。生体活性インプラントの導入により、義肢内部への十分な血液供給が確保され、患者の早期骨癒合がより達成され、合併症の発生が低減し、下肢の長節荷重骨欠損の生物学的再建が実現します。さらに、骨腫瘍切除後の不規則な骨欠損の再建が困難であるという問題を解決するために、当センターは初めて鎖骨、肩甲骨、腸骨の再建に3Dプリントされた個別化人工骨を適用し、患者の骨欠損の形状とサイズに正確に適合し、特殊な部位の四肢温存手術に新たな選択肢を提供しました。 Xuらは、骨盤腫瘍切除後の再建における3Dプリントされたパーソナライズされたプロテーゼの早期臨床効果を調査しました。従来の再建方法と比較して、3Dプリントグループはより正確な腫瘍切除とプロテーゼのマッチングを実現し、外科的外傷を軽減し、手術時間を短縮し、患者の術後機能回復を促進しました。

3Dプリント人工器官は臨床現場で満足のいく結果を達成していますが、臨床現場で一般的に使用されている3Dプリントインプラントは主にチタンとその合金です。チタン人工器官は、重量が重い、辺縁軟部組織の切断、骨誘導能力が低いなどの問題があり、臨床現場でのさらなる使用に影響を与えています。そのため、より適切な3Dプリント材料の開発が特に重要です。当センターでは、3DプリントPEEK肩関節プロテーゼの臨床応用を試みてきました。PEEK素材は、準備サイクルが短く、軽量で、軟部組織との生体適合性に優れているという特徴があり、術後の機能と外観の回復が良好です。しかし、PEEK素材の機械的強度は従来のチタン合金素材よりも低く、体重を支える骨領域の再建には適していません。素材と準備プロセスの改善により、この問題を解決できると考えています。当センターは、3Dプリントによる初のパーソナライズされたタンタル金属プロテーゼを開発し、脊椎悪性腫瘍の一括切除後の欠損部の再建に使用しました。患者の術後機能回復は満足のいくものでした。多孔質タンタルの弾性率は骨組織の弾性率に似ており、骨の成長、抗感染、生体適合性に優れているため、整形外科の修復および再建材料の問題を解決することが期待されています。結論として、著者は、パーソナライズされた人工関節の適用により、患者の骨欠損部の正確な再建が達成され、人工関節と骨の界面の早期統合が促進され、患者の機能回復がより促進されると考えています。

骨腫瘍の外科的治療における 3D バイオプリント骨組織工学スキャフォールドの応用<br /> 悪性骨腫瘍は、手術後に局所再発や転移のリスクに直面します。現在、3Dプリンティング技術により骨腫瘍手術においてより精密な治療が可能となっているものの、外科的介入のみで残存腫瘍細胞を完全に除去することは依然として困難であり、術後の放射線療法や化学療法が必要となる場合が多い。しかし、術後の化学療法や放射線療法は重篤な毒性副作用を引き起こす可能性があり、また放射線療法や化学療法は患者の免疫力低下、感染症、血液供給不足を引き起こし、骨欠損の治癒に影響を及ぼす可能性があります。したがって、残留癌細胞の除去と骨欠損の修復という二重の機能を備えた新しい生体材料を開発することは非常に重要です。 3Dプリント組織工学スキャフォールドは、精密な層ごとの製造を通じてスキャフォールド、成長因子、細胞を組み立てます。事前設計に従って、さまざまな形やサイズの骨欠損のニーズを満たすことができます。同時に、相互接続された大きな細孔は、細胞の活動、栄養素の輸送、薬物送達に十分なスペースを提供するため、研究者の間で話題になっています。

Longらは、骨肉腫の術後治療用に新しい多機能PLGA/Mg複合スキャフォールドを設計しました。金属マグネシウム粒子は、近赤外光の作用下で光熱効果と腫瘍微小環境の調節により、残留癌細胞を効果的に除去しました。骨形成におけるMgとバイオニック多孔質構造の独自の利点を組み合わせることで、優れた骨欠損修復効果が得られました。 Liuらは、骨腫瘍の治療のための元素添加バイオガラスの研究を報告した。Cu、Fe、Mn、Coなどの生体活性元素は、優れた光熱効果と骨形成分化能力を有する。従来のナノ光熱剤と比較して、生体活性元素によって誘導される機能性足場は、より優れた生体安全性と適合性を備え、生体内での腫瘍の成長を著しく抑制する。 Dangらは多機能薬剤放出ステントを開発し、モデル薬剤としてドキソルビシン、パクリタキセル、セファゾリンを3DプリントしたMPCL多孔質ステントに浸漬法で充填することに成功しました。この新しいステントは、手術中に特定の用量の薬剤を簡単に充填できるため、腫瘍の再発や局所感染を防ぐことができます。

さらに、当センターは、骨形成および血管新生促進効果を有するだけでなく、マグネシウムイオンを放出することで骨肉腫細胞の増殖を抑制することもできる新しい多機能マグネシウムコーティングチタン合金ステントを設計しており、マグネシウムコーティングチタン合金プロテーゼの臨床的変革のさらなる実現に役立ちます。現在、骨欠損修復のための組織工学スキャフォールドに関する研究は多数報告されていますが、骨腫瘍治療のための3Dプリント技術の研究開発と応用研究はまだ初期段階にあり、実際の骨腫瘍治療を解決するための最適な方法を継続的に探求し、見つける必要があります。

要約と展望
3Dプリント技術の登場により、従来の外科手術の実施方法が変わりました。骨腫瘍手術の全プロセスに3Dプリント技術が取り入れられ、画像融合技術、コンピューター支援ナビゲーション、有限要素解析などのさまざまなデジタル整形外科技術の応用と組み合わせることで、患者に対する正確な治療が実現しました。しかし、3Dプリント技術の臨床応用は近年に始まったばかりであり、従来の技術と比較すると、問題を説明するのに十分な臨床サンプル量がまだ不足しています。同時に、印刷コストが高い、製造サイクルが長い、精度が不十分、組織シミュレーションが不十分などの問題に直面しています。現在、臨床現場で使用されている 3D プリントインプラントの研究方向は、主に骨の統合を改善する方法に焦点を当てていますが、抗腫瘍、抗感染、血管新生などの特性を備えた多機能 3D プリントプロテーゼの研究開発には依然として大きな見通しがあります。 3D バイオプリンティングはまだ実験段階にあるため、今後数年間はチタンとその合金で 3D プリントされたインプラントが依然として臨床市場を占めるだろうと私は考えています。印刷技術とデジタル整形外科技術の継続的な進歩により、3D 印刷技術は臨床業務においてより幅広い応用の見通しを持つようになると信じています。

出典: バイオ整形外科材料と臨床研究、第 19 巻、第 3 号、2022 年 6 月

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