3Dプリント医療用多孔質チタン合金の応用状況

出典: チタニウムハウス

チタン合金は、比強度が高く、生体適合性が高く、耐腐食性に優れているため、バイオメディカル分野で広く使用されています。整形外科用インプラント材料としてもよく使用されています。その中でも、Ti6Al4V合金は最も一般的に使用されているチタン合金です。しかし、高密度Ti6Al4V合金の弾性率は110GPaで、人体の骨の弾性率（0.02-20GPa）よりもはるかに高く、人体に移植すると応力遮蔽が発生し、骨吸収、皮質骨の漸進的な薄化、さらにはインプラントの緩みにつながります。

多孔質構造は、嵩密度が低く、比表面積が大きく、エネルギー吸収性に優れているという特徴があり、幅広い応用の可能性を秘めており、近年、国内外の学者から広く注目を集めています。多孔質チタン合金は、チタン合金の優れた物理的、化学的性質と多孔質構造を組み合わせ、機能と構造の一体化という特徴を備えており、人体の骨の骨梁構造をシミュレートし、緻密質チタン合金の弾性係数を低減するという目的を達成することができます。支柱の直径とユニットサイズのパラメトリック設計により、所望の多孔度と細孔サイズが得られ、機械的特性の調整が実現され、整形外科疾患の患者に利益をもたらすことができます。

3Dプリント技術とも呼ばれる積層造形技術は、離散性と積層性の基本原理とデジタルモデルに基づく変形技術であり、成形の自由度が高く、成形速度が速く、成形部品の品質が良好という特徴があります。金属積層造形技術は、成形プロセスの違いにより、主に選択的レーザー溶融（SLM）技術、選択的レーザー焼結（SLS）技術、選択的電子ビーム溶融（SEBM）技術、レーザークラッディング（LC）技術、ワイヤアーク積層造形（WAAM）技術に分けられます。その中で、SLM技術とSEBM技術は製造精度が比較的高く、医療分野では多孔質チタン合金の形成によく使用されています。現在、機械的特性と生体適合性の要件を満たす多孔質チタン合金の設計と製造は、国内外で注目されている研究テーマとなっています。

骨の成長促進特性に関する研究<br /> 多孔質構造は人間の骨の微細構造と非常によく似ており、その孔は細胞の接着、拡散、分化のための条件を作り出します。また、相互接続された構造は酸素と栄養素の循環を促進し、骨組織の成長をうまく促進します。多数の研究により、多孔質チタン合金の気孔サイズや多孔度などの幾何学的パラメータが骨の成長を促進する能力に重要な影響を及ぼすことが示されていますが、現時点では最適な幾何学的パラメータに関するコンセンサスはありません。
△3種類の孔径を持つ多孔質チタン板と多孔質円筒
インプラントへの応用<br /> 現在、積層造形技術によって製造された多孔質チタン合金インプラントは、人体のさまざまな部位の修復や置換にさまざまな程度で研究され、応用されています。個人差を考慮して、多孔質インプラントは徐々にパーソナライズ化に向けて発展しています。

1. 口腔および顎顔面インプラント口腔顎顔面外科の分野では、多孔質インプラントやインプラントへの付加製造技術の応用は、一般的にはまだ研究段階にあります。国内外での関連する動物実験や臨床研究は比較的少なく、食品医薬品局に登録され承認された製品はありません。しかし、既存の研究から、口腔外科および顎顔面外科における応用の見込みが高いことは容易にわかります。
△3種類のパーソナライズされた多孔質チタン合金インプラント△パーソナライズされた多孔質チタン合金下顎インプラント
2. 脊椎インプラント椎間固定ケージは脊椎疾患の治療によく使用されるインプラントで、椎間板の高さを回復し、骨の固定を実現します。現在、米国のStryker社、ドイツのNexxt Spine社、Joimax社など多くの海外企業が、積層造形技術を用いて製造した多孔質チタン合金融合装置で関係部門から販売承認を取得し、徐々に臨床現場で使用されています。中国では、北京大学第三整形外科病院の劉忠軍教授のチームと北京愛康医療公司が融合装置の研究開発の最前線に立っています。2016年、彼らが共同開発した付加製造多孔質チタン合金融合装置は、中国食品医薬品局（CFDA）の登録を承認されました。
△多孔質合金製椎間固定ケージ
3. 股関節インプラント人工股関節全置換術は、大腿骨頭壊死や大腿骨頸部骨折などの疾患の治療に広く使用されています。人工関節置換術の中で最も広く行われている手術の 1 つであり、寛骨臼カップは一般的に使用されている股関節インプラントです。現在、海外で登録承認を取得した付加製造多孔質チタン合金寛骨臼カップ製品は比較的多く、中国では北京愛康医療有限公司と天津ジャスト医療有限公司の製品がそれぞれ2015年と2019年にCFDA登録承認を取得しました。

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