医療とヘルスケアにおける3Dプリント生体材料の応用

出典: EngineeringForLife

人口の平均寿命が延び、生活の質が向上するにつれて、健康モニタリングと病気の治療に対する需要は高まり続けています。ラピッドプロトタイピングとカスタマイズ生産に大きな利点を持つ3Dプリント技術は、バイオメディカル分野、特にパーソナライズされた医療機器、組織工学、薬物送達システムにおけるポリマー生体材料の応用にとって重要なツールとなり、大きな可能性を示しています。

アリゾナ州立大学のソン・ケナン氏のチームは、さまざまな 3D 印刷技術と生体材料との互換性、およびバイオセンサー、バイオアクチュエーター、ソフトロボット、エネルギー貯蔵システム、自己駆動型デバイスにおけるこれらの技術の応用を調査しました。

図 1 健康アプリケーション向けの 3D 印刷方法健康アプリケーションで一般的に使用される 3D 印刷方法には、熱溶解積層法 (FDM)、直接インク書き込み法 (DIW)、ステレオリソグラフィー (SLA)、デジタル光処理 (DLP)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、インクジェット印刷/ラミネーション製造法 (インクジェット印刷/LOM) などがあります。これらの技術は、さまざまな印刷メカニズムを通じて材料を層ごとに堆積させ、複雑な 3D 構造を構築します。カスタマイズされた医療機器、組織工学、薬物送達システムなど、バイオメディカル分野で幅広い応用が期待されています。

図2 抵抗性/導電性センサー、静電容量センサー、マイクロ流体検出器およびセパレーターの製造における3Dプリント技術の応用
健康モニタリングセンサーの分野における 3D 印刷技術の応用例としては、静電/導電性センサー (PEO/PANI/グラフェンに基づくフレキシブル圧力センサーなど)、イオンセンサー (SLA で印刷されたイオンデバイスなど)、静電容量センサー (Ecoflex に基づく微細構造静電容量圧力センサーなど) の使用が挙げられます。これらのセンサーは、圧力、動き、呼吸パターンなどの生理学的パラメーターの変化を監視でき、カスタマイズされた高精度の健康モニタリング機器の製造における 3D 印刷の利点を反映しています。

図3 マイクロ流体検出器および分離器における3Dプリント技術の応用
マイクロ流体デバイスの分野における3Dプリント技術の応用には、抗菌薬感受性試験用の3次元マイクロ流体濃度勾配発生器（μ-CGG）、循環腫瘍細胞（CTC）を分離するためのマイクロ流体デバイス、マイクロ流体プラットフォームとフォトニックシリコンチップを統合したシステムなどがあります。これらのデバイスは、薬物濃度勾配の正確な制御、腫瘍細胞の捕捉効率の向上、抗生物質の最小発育阻止濃度（MIC）の迅速な判定を実現し、疾患検出、癌診断、個別化医療において重要な役割を果たします。

図4 ウェアラブル発汗センサーの製造における3Dプリント技術の応用
ウェアラブルマイクロ流体センサーの分野における 3D 印刷技術の応用には、汗の電解質レベルをリアルタイムで監視するバイオエレクトロニックパッチや、異なる時間帯に汗を連続的に収集して塩化物イオン濃度を分析できる「Sweatainer」システムなどがあります。これらのデバイスは、マイクロ流体チャネルと構造の設計を正確に制御することで非侵襲的な健康監視を実現し、パーソナライズされた医療と運動生理学的状態の評価に新たな道を提供します。

図5 各種マイクロニードルセンサーの開発における3Dプリント技術の応用
皮膚間質液の pH を監視するマイクロニードル pH センサー、血糖値に反応してインスリンを放出するマイクロニードルパッチ、皮下血糖値をリアルタイムで監視するマイクロニードルバイオセンサーなどのマイクロニードル (MN) センサーの製造における 3D 印刷技術の応用は、パーソナライズされた医療機器や非侵襲的健康監視の分野における 3D 印刷の大きな可能性を反映しています。

図6 3Dプリント技術は、生物学的な動きを模倣できる生物学的アクチュエータの製造と、その健康分野への応用の可能性を秘めている。
バイオアクチュエータの製造における 3D 印刷技術の高度な応用には、ステレオリソグラフィー (SLA) 技術で製造されたマルチマテリアルマイクロアクチュエータチップ、温度と pH に反応するマルチ応答アクチュエータ、ねじれパターンを備えたマルチマテリアル直接インク書き込み (DIW) アクチュエータ、統合センサーを備えたソフトアクチュエータなどがあります。これらのアクチュエータは生物学的動作をシミュレートでき、ソフトロボット、人工筋肉、薬物送達キャリアなどの健康アプリケーションで使用されており、カスタマイズされ機能化されたバイオアクチュエータの設計における 3D 印刷の重要な役割を反映しています。

図7 ウェアラブルソフトロボット分野における3Dプリント技術の革新的な応用
ウェアラブルソフトロボティクス分野における 3D 印刷技術の革新的な応用には、実際のタスクを実行できる FDM 印刷義手、リハビリテーショントレーニング用の FDM ベースのグローブ、統合された流体回路を備えた完全に 3D 印刷されたソフトロボットシステムなどがあります。これらのデバイスは、指の動きをシミュレートし、流体の流れを正確に制御することでビデオゲームのプレイなどの複雑なタスクを実行します。これにより、生活の質の向上と、補助装置、リハビリテーションツール、および独立システムにおける医療用途における 3D 印刷技術の可能性が実証されています。

図8 自家発電装置の製造における3Dプリント技術の応用
3D 印刷技術を応用した自己発電デバイスの製造には、魚のえらの構造を模倣した熱電発電機、マイクロ連続液体界面生成 (μCLIP) 技術に基づく圧電センサー、人間の動脈内の血栓を監視する圧電センサー、手の動きを捉えることができる摩擦電気センサーなどがあります。これらのデバイスは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換して、ウェアラブルデバイスや埋め込み型医療機器にエネルギーを供給することができ、エネルギー効率の向上とパーソナライズされた医療機器の開発促進における 3D 印刷の重要性を実証しています。

図9 3Dバイオプリンティングにおけるデータサイエンスの応用は、インクの機械的特性と印刷性の関係を予測するための機械学習の使用、印刷性を評価し材料配合を最適化するためのベイズ最適化フレームワーク、印刷異常を検出するためのホテリングT2管理図、印刷ラインを分析するための画像およびデータ処理など、3Dバイオプリンティングにおけるデータサイエンスの応用をまとめたものです。これらの技術の応用により、印刷プロセスの自動品質管理とプロセス最適化が改善され、再生医療分野におけるバイオプリンティング技術の発展が促進されました。

記事の要約<br /> 本論文では、FDM、DIW、SLA、DLP、SLSなどのさまざまな3D印刷技術と、合成および天然の生体材料との互換性を含む、バイオメディカル分野におけるポリマー生体材料と組み合わせた3D印刷技術の応用についてレビューします。バイオセンサー、バイオアクチュエーター、ソフトロボット、エネルギー貯蔵システム、自己駆動型デバイス、および生物学的マッピングにおけるデータサイエンスの製造におけるこれらの技術の応用に焦点を当てています。また、直面している課題と将来の開発の見通しについても説明し、パーソナライズ医療と再生医療における3D印刷技術の大きな可能性を強調しています。

ソース：
https://doi.org/10.1002/adhm.202402571

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