3D印刷が医療インプラントと機器のカスタマイズ方法です

医療用インプラントや器具は標準サイズで製造されることが多いですが、患者一人ひとりが全く同じではないため、このアプローチには限界があります。デバイスが体にぴったり合わない場合、手術時間が長引いたり、合併症のリスクが高まったりする可能性があります。 3Dプリンティングは、個人の解剖学的構造に合わせた医療機器の作成を可能にすることで解決策を提供します。この記事では、この技術を利用して、ヘルスケアの向上につながるカスタムインプラント、手術器具、解剖モデルを作成する方法について説明します。

コアプロセス：患者のスキャンから物理的な解決策まで

カスタム 3D プリント医療機器の作成には、患者の医療スキャンを手術で使用できる完成品に変換する簡単なプロセスが含まれます。

ステップ1：患者のスキャン

高解像度のMRIまたはCTスキャンは、このプロセスの最初のステップです。これらのスキャンでは、患者の体の何百枚もの画像が撮影され、医師は骨、臓器、血管の正確な大きさを知ることができます。この詳細な情報に基づいて、カスタムガジェットが構築されます。

ステップ2：3Dデザインの作成

次に医療技術者は Mimicsや3-maticなどの専用CADソフトウェアを使用して、2Dスキャン画像を正確な3Dデジタルモデルに変換します。手術チームと協力してこのモデルを使用し、カスタムインプラントまたは手術ガイドが患者の体に 1 ミリ以内でフィットすることを確認します。

ステップ3: デバイスの印刷

最後のデザインファイルは 医療グレードの3Dプリンター一度に一層ずつオブジェクトを作製する方式です。用途によって使用される材料が決まります。強度の高いチタン金属は、強度と生体適合性が高いため、永久インプラントの製造によく使用されます。PEEKのようなポリマーも、骨のような働きをするため使用されることがあります。解剖模型や手術ガイドは、生体適合性樹脂で作られることが多いです。材料が金属の場合、印刷方法は 選択的レーザー溶融（SLM）材料がプラスチックの場合は、 光造形法（SLA）。

ステップ4：仕上げと殺菌

印刷後、ガジェットは最終工程に入ります。これには、サポート構造の除去、表面の平滑化、そして場合によっては強度を高めるための加熱が含まれます。その後、手術室で安全に使用できるよう、ガンマ線照射またはオートクレーブを用いて、非常に慎重に洗浄・滅菌されます。

アプリケーション1：カスタム医療インプラント

最も重要な用途の一つは 3Dプリント 医療における最も重要なことは、患者にぴったり合うカスタムインプラントを作成することであり、これは長期的な成果を成功させるために非常に重要です。

整形外科インプラント

膝、股関節、肩関節などの標準的な人工関節は、サイズが限られています。患者の体格がこれらの標準サイズに合わない場合、フィット感が不十分になる可能性があります。 3Dプリント この問題は、患者のCTスキャンデータに基づいてインプラントを作成することで解決されます。これにより、インプラントが骨に正確にフィットし、安定性が向上し、周囲への負担が軽減されます。また、設計者はインプラントに特殊な多孔質構造を組み込むことも可能で、これにより患者自身の骨が時間の経過とともにインプラントに吸収されやすくなります。このプロセスはオッセオインテグレーションと呼ばれ、より強固で永続的な結合を実現します。

カスタム整形外科インプラントの主な利点は次のとおりです。

• 骨へのストレスを最小限に抑える正確なフィット。
• 安定性が向上し、長期的なパフォーマンスが向上しました。
• インプラントの緩みや故障のリスクが軽減されます。
• 多孔質表面により骨結合が向上します。

頭蓋顎顔面再建（CMF）

この技術は、外傷や腫瘍の切除後に顔面、顎、頭蓋骨を修復するCMF手術においても非常に有用です。これまで、これらの部位を修復するために、外科医は手術中に汎用の金属プレートを手作業で曲げたり形を整えたりする必要がありました。これには長い時間がかかり、結果も必ずしも理想的ではありませんでした。 前述のプロセスを使用することで、欠損部にぴったり合うカスタムインプラントを事前に印刷することができる。これにより、手術時間が短縮されるだけでなく、患者さんの機能面および審美面でも大幅に改善されます。

アプリケーション2：カスタム手術器具

インプラントに加えて、 3Dプリントはカスタムツールの作成に使用されます 外科医がより安全かつ効果的に手術を行えるように支援します。

患者固有の手術ガイド

これらは、手術中に患者の骨に直接フィットするカスタムテンプレートです。ガイドには、外科医のドリルやノコギリを誘導するためのスロットまたは穴が設けられており、切断とネジの配置が極めて正確になります。例えば、膝関節置換手術では、ガイドを使用することで、新しい関節に最適な角度で骨を切断できます。これにより、手術時間が短縮され、侵襲性が低くなり、初期のスキャンと設計段階の精度が高まり、健康な骨を可能な限り温存することができます。

カスタム設計された外科器具

外科医は、特定の作業や自身の手に合わせて設計された鉗子、鉗子、メスの柄などの器具を印刷することもできます。例えば、長時間の手術中の疲労を軽減するために、カスタムグリップを備えたメスの柄を設計できます。また、手の届きにくい場所にある腫瘍の切除など、難しい手術の場合は、その作業専用の特殊な形状の開創器を設計・印刷することも可能です。このような高度なカスタマイズにより、外科医の快適性と制御性が向上し、手術成績の向上につながります。

アプリケーション3：計画とトレーニングのための解剖モデル

患者の解剖学的構造の正確なレプリカを印刷することにより、外科医、学生、患者は複雑な医療状況をよりよく理解できるようになります。

手術計画とリハーサル

外科医は、複雑な骨折や腫瘍の1/1スケールの模型を印刷することができます。実物の模型を手に取ることで、画面上の2D画像を見るよりも患者の解剖学的構造をはるかに明確に理解できます。これにより、手術チームは腫瘍と周囲の血管の関係を把握し、最適なアプローチを計画し、さらには手術の難しい部分を事前に練習することもできます。こうした準備は、手術室での予期せぬ事態を減らすのに役立ちます。

医学教育

3Dプリントモデルは医学生にとって貴重な学習ツールでもある学生は教科書だけに頼るのではなく、様々な臓器や病変のリアルな模型を手に取って観察することができます。これにより、より直感的で効果的な解剖学の学習が可能になります。模型は複雑な構造を理解しやすくし、学生が実際の臨床現場に臨むための準備を整えるのに役立ちます。

患者とのコミュニケーション

患者にとって、診断や予定されている手術を理解するのは難しい場合があります。 医師は患者自身の体の部位の3Dプリントモデルを使用して、問題と治療計画を説明することができます。模型を見て手に取ることで、複雑な医療情報が分かりやすくなり、患者はより適切な質問をしたり、より自信を持って決断したりできるようになります。

医療用3Dプリンティングにおける現在の課題

カスタムインプラント、手術器具、解剖モデルの作成には大きな利点があるにもかかわらず、医療における 3D プリントの広範な使用にはいくつかの実際的な課題が伴います。

• 複雑な規制上のハードルFDAなどの機関から患者固有の機器の承認を得るには、複雑で長いプロセスが必要です。それぞれのカスタム機器が独自の性質を持っているため、標準化が困難であり、新しいアプリケーションを迅速に市場に投入する上で大きな障壁となっています。
• 高額な費用と不確実な償還: 医療グレードの3Dプリンター 特殊なソフトウェアには多額の初期投資が必要です。さらに、カスタムプリントされたデバイスに対する保険会社の償還ポリシーはまだ十分に確立されておらず、病院と患者にとってアクセスが経済的な課題となっています。
• 材料の制限理想的な機械的特性（強度や柔軟性など）も備えた生体適合性材料の入手可能な範囲は依然として限られています。 より多様な素材特に、時間の経過とともに体内に安全に吸収される高度なポリマーを使用しています。
• 専門知識のギャップ医学、工学、デジタルデザインといった分野横断的なスキルを持つ専門家が不足しています。効果的なチームを構築し、必要な人材を育成するには、新たな研修プログラムが必要ですが、まだ広く普及していません。

規制、コスト、材料、専門知識といったこれらの問題は、より広範な導入を阻む主な障害となっています。これらの分野における進歩は、パーソナライズされた医療機器を医療の日常的な一部として、かつ利用しやすいものにするために不可欠です。

3D プリントで患者ケアを向上しましょう!

医療における3Dプリンティングは、単なる新しいものづくりの方法ではありません。個人を中心とした新しい医療基準の創造に貢献しています。この技術は、カスタムフィットインプラント、より正確な手術、そしてより適切な準備を可能にすることで、患者の転帰改善に直接貢献しています。この分野の継続的な発展は、医療がこれまで以上に正確で効果的、そして個人に合わせてカスタマイズされる未来を指し示しています。

医療用3Dプリントに関する4つのよくある質問

Q1: 3Dプリントされた臓器は拒絶反応を起こす可能性がありますか?

あ: 理論上は、バイオプリンティングの主な利点は、患者自身の細胞を用いて臓器を作製することです。臓器は患者自身の生物学的材料から作られるため、免疫系がそれを認識し、拒絶反応を引き起こさないはずです。これにより、従来の移植に必要な免疫抑制剤が不要になります。

Q2: 臓器のバイオプリントにはどれくらいの時間がかかりますか?

あプロセスは長く、臓器の複雑さによって異なります。スキャフォールドの初期印刷は比較的速いかもしれませんが、最も時間のかかる段階は成熟です。印刷された構造は、細胞が機能的な組織に成長するまで、数週間から数ヶ月間バイオリアクター内で保管する必要があります。

Q3: 人間の心臓を3Dプリントすることは可能ですか?

あ: まだ完全に機能し、移植可能なヒトの心臓はまだ3Dプリントされていませんが、研究者たちは生きた細胞で拍動する小型の心臓モデルを作成しています。これらのモデルは現在、研究や薬物試験に有用ですが、移植用のフルサイズの心臓が完成するまでには、まだ何年もかかるでしょう。

Q4: どのような臓器が 3D プリントに成功していますか?

あ: 成功は主に、より単純な組織と中空構造において得られている。科学者たちは長年にわたり、皮膚や軟骨の3Dプリントを可能にしてきました。さらに注目すべきは、カスタムメイドの3Dプリント膀胱や気管（気管切開）が患者への移植に成功したことです。しかし、腎臓や肝臓といった複雑な固形臓器の3Dプリントは依然として大きな課題です。