組織損傷のカスタマイズされた原位置修復のためのビルディングブロック 3D プリントスキャフォールド

出典: EngineeringForLife

急性外傷では、骨欠損を修復するためにカスタマイズされた生物学的スキャフォールドが必要です。しかし、現在カスタマイズされたスキャフォールドは、スキャン、医療工学インタラクション設計、工場での 3D プリント、外科的移植など、多くのステップを経る必要があります。サイクルが長すぎるため、迅速な対応を求める臨床ニーズを満たすのは困難です。 LEGO® ブロックは、基本モジュールを通じてさまざまな形状に組み立てることができます。まず生物学的スキャフォールドの基本モジュールを 3D プリントし、次に欠損部の形状に合わせて手術部位でその場で素早く組み立てて、外傷の正確な修復を実現することは可能でしょうか?この目的のために、杭州典子大学の邵慧鋒准教授と浙江大学の何勇教授が協力し、レゴ®ブロックのコンセプトに似たモジュール式ステントを革新的に提案しました。このステントはマシンビジョンと組み合わせることで、手術現場での医師の迅速な組み立てを支援し、不規則な欠損形状に合わせたパーソナライズされたステントのインテリジェントな製造を実現しました。関連する研究結果は、「原位置骨組織修復のためのインテリジェント視覚誘導システムを備えたモジュラースキャフォールド」というタイトルでInternational Journal of Extreme Manufacturingに掲載されました。博士課程学生の夏鵬成氏と修士課程学生の張涛氏が論文の共同筆頭著者であり、杭州典子大学の邵慧鋒准教授と浙江大学の何勇教授が共同責任著者です。

この研究の革新性は、モジュラーステントの革新的な概念を提案したことにあります。これは、柔軟な骨ステントユニット構造を利用して手術現場で迅速に組み立てることで、従来の3Dプリント生物学的ステントの長い製造サイクルの問題点を解決します。マシンビジョン技術を使用して組織欠陥を正確に識別し、3D画像をキャプチャし、インテリジェントアルゴリズムを組み合わせてステントの最適な組み立て戦略を生成し、患者に高度にパーソナライズされた修復ソリューションを提供します。（図1参照）

図 1 特定の欠損に対するモジュール式スキャフォールドの迅速かつインテリジェントな組み立てのための革新的なシステム著者らは、複数の骨スキャフォールドユニットの標準化された設計と台形のほぞ穴とほぞのインターフェースの最適化を組み合わせることで、高い機械的強度、柔軟な接合、正確な適応を実現した革新的なモジュール式骨スキャフォールドシステムを提案しました。インターフェースの高さ、幅、傾斜などのパラメータを最適化することで、ブラケットの曲げ強度が大幅に向上します。モジュラースキャフォールドは、さまざまな形状に柔軟に組み立てることができ、さまざまな骨欠損タイプの治療ニーズを満たすことができ、複雑な臨床状況に対して高度にパーソナライズされたソリューションを提供します。（図2参照）
図 2 骨スキャフォールドユニットインターフェースの設計とその柔軟なアセンブリ著者らは、マシンビジョン技術とコンピュータービジョンアルゴリズムを組み合わせたインテリジェントな骨スキャフォールドアセンブリシステムも提案しました。立体的な骨欠損画像をステレオカメラで撮影し、骨欠損のデジタル表現を実現し、コンピュータービジョンアルゴリズムを通じて患者の特性と骨欠損の形態に基づいて個別の組み立て計画を生成します。（図3参照）

図3 ウサギの頭蓋骨欠損モデルに埋め込まれたモジュラーステント全体として、本研究では、マシンビジョン技術に基づくモジュラーステントのインテリジェントな高速組み立て方式を提案しました。これにより、パーソナライズされたステントを迅速に製造し、クリニックでステントの埋め込みを完了することができ、臨床組織修復の治療効率を効果的に向上させることができます。今後は、抗菌、抗腫瘍などの機能を付与したり、人工知能などの技術と組み合わせたりすることで、モジュラーステントの臨床応用効果を高めることができる。

ソース：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad943f

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