医療における3Dプリントの革新的な5つの使用例

Coalesceなどの医療機器企業は、医療機器の正確な試作品を作成するために3Dプリントを利用しています。 Coalesce が、喘息患者の吸気フロー プロファイルをデジタルで評価できる吸入器の作成を依頼されたとき、サービス プロバイダーに外注すると、各プロトタイプのリードタイムが長くなってしまう可能性がありました。 デザインファイルは、製造のためにオフサイトに送られる前に、さまざまな反復作業を通じて丹念に改良されなければならなかったでしょう。

その代わりに、デスクトップ SLA 3D プリントによって、Coalesce はプロトタイピングの全工程を社内で行うことができるようになりました。 プロトタイプは、臨床試験に使用するのに適したもので、完成品と同じような外観でした。 実際、デバイスを展示したとき、顧客はプロトタイプを最終製品と勘違いしました。

全体として、社内で行うことにより、プロトタイプのリードタイムを 80 ～ 90% も短縮できました。 さらに、パーツの印刷にはわずか 8 時間しかかからず、数日以内に仕上げと塗装を行うことができましたが、同じプロセスを外部の請負業者に依頼した場合は 1 ～ 2 週間かかったことでしょう。

難しいのは、カスタム部品を手頃な価格で製造できる製造工程がないことです。 しかし、義肢装具士は、注目されている3Dプリントの設計の自由度を活用して、治療に対する高い経済的障壁を軽減できるようになってきています。

e-NABLEのようなイニシアチブにより、世界中のコミュニティ全体が、3Dプリント義肢を中心に形成されるようになりました。 彼らは、情報やオープンソースのデザインをオンラインで自由に共有することにより、義肢製作における独立したムーブメントを推進しています。

ライマン・コナーのような発明家も、これをさらに一歩進めています。 4台のデスクトップ3Dプリンターからなる小さな施設だけで、Lymanは最初の生産用義肢を完成させ、装着することができたのです。 彼の究極の目標は？ カスタマイズ可能な完全なバイオニックハンドを作り、現在の数万ドルの小売価格の何分の一かの価格で販売することです。

別の場所では、MIT の研究者も、より快適な義肢ソケットを製造する最適な手段として 3D 印刷を特定しました。 3Dプリントで作られた人工関節は、わずか2週間で完成し、その後、従来のものよりもはるかに低いコストで試用や保守を行うことができます。

矯正用インソールと装具

義肢に見られるような治療に対する高い経済的障壁の多くは、装具やインソールなどの分野にも存在します。 他の多くの患者固有の医療機器と同様に、カスタム装具は、コストが高く、製造に数週間または数か月かかるため、アクセスできないことがよくあります。 3Dプリントを使えば、もはやそのようなことはありません。

マテイと彼の息子ニクの例が思い浮かびます。 2011年に早産で生まれたニックは、出産時のトラブルが原因で脳性まひになりました。 しかし、標準的な既製の装具では息子にとって不十分で不快であるか、高価なカスタムメイドの装具では納品までに数週間から数カ月かかり、成長した子供によってすぐに使えなくなるかの選択を迫られました。 3D スキャンと 3D 印刷を含むデジタル テクノロジーが提供する自由で、Matej と Nik の理学療法士は自由に実験し、足首足部装具 (AFO) のまったく新しい革新的なワークフローを開発できました。

結果として、カスタムメイドで 3D 印刷した装具は Nik にサポートと快適さを与え、必要な部分を正確に修正し、彼がついに独立した最初のステップに進む手助けをしました。 このカスタム装具デバイスは、ハイエンドの装具の高度に調整された仕上げを再現し、価格は数分の一で、さらなる調整は必要ありませんでした。

世界中の専門家は、3D 印刷を使用して、患者や顧客固有のインソールや装具、また、理学療法改善のためのその他のツールを作り直しています。 これまで、カスタマイズされた道具を使った理学療法は困難でした。 長い待ち時間が発生したり、完成品が不快に感じられたりすることがよくありました。 3Dプリンターは、この現状を変えようとしています。 3Dプリントされたインソールや装具は、よりフィットし、より良い治療結果につながることが証明され、患者にとってより高度な快適性と使用性を提供します。

バイオプリント、組織工学、3Dプリント臓器とその後

現在、重度の臓器不全の患者の治療のための従来の手段は、自己移植（同じ個人の体のある場所から別の場所へ組織を移植する）かドナーからの臓器移植を用いることです。 バイオプリンティングと組織工学の分野の研究者たちは、近いうちにこの状況を変え、必要に応じて組織、血管、臓器を作成できるようになることを望んでいます。

3Dバイオプリンティングとは、医療分野で使用できる組織に似た構造を作成するために、バイオインクとして知られる材料を堆積する付加製造プロセスを使用することを指します。 組織工学とは、傷害や病気の治療に使用するために、実験室で代替組織や臓器を成長させる、バイオプリンティングを含むさまざまな進化した技術を指します。

高精度3Dプリンティングの助けを借りて、シェフィールド大学のSam Pashneh-Tala博士などの研究者は、組織工学に新しい可能性をもたらしています。 例えば、心臓血管の患者さんの血管を作るには、管状の構造が必要です。 細胞は増殖して足場を覆い、その形状を身につけます。 足場はその後徐々に破壊され、生きた細胞が標的組織の形状に配列された状態になります。この組織は、バイオリアクター（発達中の組織を収容し、体内環境を再現できる室）で培養され、有機組織の機械的および生物学的性能を獲得します。

これにより、科学者は患者固有の人工血管の設計、外科的オプションの改善、および現在世界第一位の死因である心血管疾患に苦しむ人々のための新しい血管医療装置のための独自のテスト プラットフォームを作成することができます。 そして、最終的な目標は、患者さんに移植可能な血管を作ることです。 組織工学では、治療を必要とする患者から採取した細胞を使用するため、従来の臓器移植の大きな問題であった免疫系による拒絶反応の可能性を排除することができる。

3Dプリンターは、必要な血管の正確な形、サイズ、形状を再現することの難しさを解決し、人工血管の製造という課題に対応できることが証明されています。 印刷されたソリューションを患者の特定のニーズに密接に一致させることができることは、驚くべきことであると証明されました。

パシュネ・タラ博士の言葉を借りれば、こうです。 「外科手術の選択肢を改善し、患者に合った血管の設計さえも可能にする可能性があるのです。 高精度で安価な 3D 印刷へのアクセスなしには、これらの形状の作成は不可能でしょう」

私たちは、3D プリンターでの使用に適した生体材料におけるエキサイティングなブレークスルーを目の当たりにしてきました。 科学者たちは、人間の脳や肺に見られる臓器組織と同じ一貫性を持ち、さまざまな 3D 印刷プロセスに適合することができる新しいハイドロゲル材料を開発しています。 科学者たちは、臓器に移植して、細胞が成長するのを促す「足場」として機能することを期待しています。

心臓、腎臓、肝臓などの完全に機能する内臓のバイオプリントはまだ未来的に聞こえますが、ハイブリッド 3D プリント技術の進歩は非常に速い速度で進んでいます。

遅かれ早かれ、実験室のプリンターで生物学的物質を構築することで、新しい、完全に機能する 3D プリント臓器を生成する能力につながると予想されます。 2019年4月、科学者たちはテルアビブ大学で、患者の生体材料を用いて初の3D心臓を作成した。 この小さなレプリカは、患者自身の生体材料を用いて作成され、患者の免疫学的、細胞学的、生化学的、解剖学的プロファイルと完全に一致するように醸し出されました。

「現段階では、私たちの3D心臓はウサギの心臓程度の小さなものですが、より大きな人間の心臓には同じ技術が必要です」と、Tal Dvir教授は述べています。

What’s Next for Medical 3D Printing?

デスクトップ ステレオリソグラフィーなどの精密で安価な 3D 印刷プロセスは、テクノロジーへのアクセスを民主化し、医療専門家が新しい臨床ソリューションを開発したりカスタム機器を迅速に製造できるようにし、医師が世界中で新しい治療法を提供できるよう支援します。

3Dプリント・テクノロジーと材料が改良され続けるにつれて、個別化されたケアとインパクトのある医療アプリケーションへの道が開かれるでしょう。