新たな研究でチタン製医療インプラントの有効性が明らかに
3Dプリントチタンプロセス
従来のプロセスと比較して、パーソナライズされた外科用インプラントフィギュアを製造するための 3D プリント技術の利点は、主に次の点に反映されています。3D プリントの自由成形特性により、内部のインプラントを迅速かつ正確にカスタマイズできるため、従来の汎用インプラントフィギュアの形状が人体と互換性がなく、その機械的特性が標準に達していないという問題を克服できます。複雑な構造や加工が難しい製品の製造において、パーソナライズされたマイクロ構造、特に多孔質貫通構造は、特定の物理的および化学的特性を満たすだけでなく、生体組織適合性も向上させます。
これらの利点は、インプラントの応力遮蔽と生物活性の低下という一般的な問題を効果的に克服することができます。現在、3Dプリントチタン合金で最も一般的に広く使用されているのは、SLM技術とEBM技術です。
選択的レーザー溶融法（SLM）は、レーザーを熱源として、予め積層された粉末材料に選択的に照射することで、急速溶融成形を実現します。主な動作原理は、不活性ガス保護環境下で、装置と機器が午後システム設計モードによって生成された充填走査パスに従ってレーザービームを制御し、粉末の各層を選択して溶融します。
その後プラットフォームが下がって、再び火薬が敷かれ、 焼結 全体の形状が形成されるまで、このプロセスを繰り返します。不活性ガス保護により、金属が高温で他のガスと反応するのを防ぎます。SLM技術は、成形材料の種類が非常に多く、材料を節約でき、リサイクルも可能で、複雑なサポートシステムの設計や準備も不要です。こうした一連の利点により、SLM技術はますます広く利用されています。
しかし、SLM にも欠点があります。レーザー出力と走査ガルバノメータの偏向角度が限られているため、SLM で製造できる部品のサイズ範囲が限られます。高出力レーザーと高品質の光学機器は製造コストが高く、ある程度経済的負担が増加します。SLM 技術では粉末材料を使用するため、成形部品の表面品質に問題が生じる可能性があり、後続の作業に使用するには製品の二次加工が必要になります。また、加工プロセスで球状化や反りの欠陥が発生する可能性があり、加工手順を厳密に最適化するための追加ステップが必要になります。電子ビーム溶融 (EBM) は、電子ビームを熱源として使用し、真空環境で金属粉末を層ごとに溶かして積層製造を行うプロセスです。
その動作原理は、粉末をあらかじめコーティングし、高エネルギー電子ビームを偏向させて集中させ、局所的な小領域で高エネルギーを発生させて粉末層をスキャンし、高温で均一に溶融させ、電子ビームの連続スキャンによって溶融池間のエネルギーを発生させて溶融と凝固を起こさせ、線状と平面状の金属層につなげるというものです。
電流層を完成した後、粉末積層操作を繰り返して成形します。EBMは製造工程において、真の空気溶融環境を採用することで、材料の高強度を確保し、合金の酸化を回避します。SLMと比較して、EBMの主な利点は、電子ビーム電力の効率的な生成により消費電力が少なく、生産速度が速いため、機械全体の実際の総電力が高いことです。また、電子ビームの偏向は装置部品を動かす必要がないため、スキャン速度がさらに向上します。良好な熱環境は、3Dプリント部品の形状安定性を確保し、静的機械特性を確保し、生物学的要件を満たし、金属粉末のリサイクルも可能です。
3Dプリント外科用インプラントの現状と進歩
3Dプリントによる外科用インプラントや矯正器具は、骨学の分野で有望な応用が期待されています。現在、3Dプリントによる外科用インプラントや矯正器具の開発がますます進んでいます。 3Dプリントインプラント材料 補聴器、義肢、パーソナライズされた整形外科手術ガイド、人工関節、人工外耳、パーソナライズされた歯科インプラントなど、臨床におけるパーソナライズされた治療への応用が進んでいます。報道によると、2014年には北京大学の研究者が、12歳の少年にマイクロホールを備えたパーソナライズされた3Dプリント人工脊椎を移植することに成功しました。これは世界初の事例でした。同年、スコットランドでは医師と科学者が5歳の少女に3Dプリント義手のひらを装着しました。
中国人民解放軍第411病院口腔科専門センターは、EBM技術を用いて、片側上顎切除患者に高度に個別化された解剖学的シミュレーションを備えた下顎チタン合金インプラントをカスタマイズして移植することに成功しました。手術中、病変のある下顎の切除と個別の機能修復が一度に完了し、欠損した下顎は個別に修復・再建され、術後効果は良好でした。Lethaus Bらの研究者は、3Dプリント技術を用いて、20人の下顎切除患者の骨および微小血管弁を再建し、手術時間を短縮し、手術の質を向上させ、術後効果も良好でした。近年、同様のニュースや研究が次々と登場しており、医療分野における3Dプリントの良好な応用見通しを十分に反映しています。
整形外科製品の分野では、3Dプリント手術用インプラント材料も徐々に商業化・市場化に向けて前進しています。2007年には、イタリアのAdler Ortho社とLIma-LTO社が開発した硬組織スキャフォールダー付きバイオプリント3D寛骨臼カップがCE認証を取得しました。Exactech社の製品は2010年にFDAの承認を取得しました。2009年には、アメリカのAMT社が3Dプリント技術を用いて製造したオールチタン製の人体融合装置もEU CE認証を取得しました。2013年には、米国初のバイオプリント頭蓋骨インプラント製品がFDAの承認を取得しました。これは、世界初のパーソナライズされた3DプリントPEEK頭蓋骨インプラント製品でもあります。
これに基づき、2014年には米国オックスフォード社が3Dプリント顎顔面骨製品（5IOKモード）のFDA承認を取得しました。さらに、2015年9月には、北京医科大学第三病院と北京愛康易成医療機器有限公司が開発した3Dプリント人体インプラント（人工股関節）が国家食品医薬品局に登録されたと報じられています。この3Dプリント股関節は「量産段階」に入り、中国の3Dプリントインプラントも生産段階に入ったことを意味します。
3Dプリント技術は医療科学技術の革新においてますます重要な役割を担っており、様々なパーソナライズされたインプラント、義肢、歯科インプラントなどの研究と応用もますます広がっています。そのため、この新しいプロセスで作製されたインプラントのバイオセーフティ評価には、ますます注意を払う必要があります。
3Dプリントチタンのバイオセーフティに関する研究
生体医療材料の安全性は、主に組織と材料との相互作用に反映されます。生体医療用金属材料がインプラント機器の基準を満たすためには、人体への埋め込みによって生じる反応が許容レベルに収まると同時に、材料の構造や特性に質的な変化を及ぼさないことが求められます。人体と人体との相互作用は、主に生体適合性と生物学的機能に反映されます。
そのため、インプラントは人体に埋め込まれた後、アレルギー、炎症、人体細胞、血液、臓器への化学反応、あるいは人体異物に対する拒絶反応などの有害反応を引き起こさないようにする必要があります。同時に、長期間の埋め込みが必要なインプラントには、良好な静的機械特性、すなわち十分な強度、適切な弾性率、高い安定性、優れた耐腐食性、そして優れた耐久性も求められます。現在、チタン合金を用いた外科的インプラントは臨床現場で広く利用されており、生体適合性研究も成熟しています。そのため、3Dプリント関連チタン合金部品の安全性は、主にその生体力学的機能の安全性に焦点を当てています。
3Dプリント金属インプラントが、機械的特性、耐腐食性、生体適合性において、従来のプロセスで製造された一般的なインプラント製品と同等であるかどうか、また合金インプラントの一部の静的機械的特性が臨床応用および国家基準を満たすかどうかについては、現在も研究が進められています。3Dプリントチタンインプラントの部分的な静的機械的特性は、臨床ニーズを満たすことが確認されています。EBM法で作製されたTi6A14Vサンプルは、直接引張試験と熱間静水圧プレス試験によって試験されました。その結果、TI6A14Vサンプルの強度は鍛造基準を上回ることが示されました。
SLM技術で作製されたCo-Cr-Mo合金の耐食性は、従来のプロセスで作製された合金と同等であり、唾液環境を模擬した3Dプリントにおけるイオン溶解量は、従来のプロセスで作製された合金よりも少ないことが確認されました。DMLS技術で作製されたTi6A14V製品は、EOS社によって、合理的な後処理により、従来の鍛造と同等の静的機械特性と耐疲労性を有することが確認されました。EBMで作製された多孔質チタン合金椎骨固定デバイスは、ヤギの体内に移植され、羊の頸椎固定モデルにおいて良好な結果を示しました。骨と材料の界面はPEEK固定デバイスよりも良好でした。
臨床的に、チタン合金の弾性係数などの機械的特性は人骨の特性と一致しないため、インプラントの周辺骨組織に「応力遮蔽」現象を引き起こし、骨粗鬆症を引き起こし、骨吸収、インプラントの緩み、脱落、そして破損につながります。チタンインプラントのこの問題を軽減するために、多孔質構造インプラントが研究者の注目を集めています。現在、研究では、3Dプリントによってインプラントの微細構造を高精度に調整し、弾性係数や機械的特性を変化させることで、人骨組織に適合させ、適切な生理学的負荷を確保した上でバイオメカニカル機能をさらに向上させることができることが示されています。
Ti6AI4V構造体はEBM成形技術によって製造され、内部空隙構造は走査型電子顕微鏡下で理論設計と一致することが確認されました。これにより、3Dプリント製品の構造におけるEBMの正確な制御が実現しました。機械性能試験では、対応する圧縮強度は163MPa、弾性率は気孔率60.1%で14MPaと、人骨に近い値を示しました。また、in vitro細胞培養においても良好な細胞適合性を示しました。
多孔質スキャフォールドは、EBM技術を用いて設計パラメータを最適化し、作製されました。その機械的特性を評価しました。設計された多孔質材料の生体力学特性は、相適合性と移植適合性のシミュレーションにおいて高い優位性を示すことが確認されました。SLM法で作製した300μm、600μm、900μmの3種類の多孔質チタンをウサギの脛骨に移植し、気孔率の骨成長への影響を調査しました。その結果、600μmの多孔質構造を持つ骨組織は、骨の長さと生体適合性が優れていることが示されました。
骨の成長の観点から見ると、調整可能な多孔度と開口部を備えたスキャフォールドは、人体内の栄養素の伝達と透過をより促進し、骨の成長能力を促進し、インプラントと骨床の結合を高め、人工関節の耐用年数を延ばすことができるため、ソリッド構造のチタン合金よりも優れた医療効果が得られます。近年、多孔チタン合金段階的構造は、臨床上最も理想的な新しい硬組織修復および置換材料と見なされており、さまざまな微細構造または貫通構造を備えた3Dプリントチタン合金インプラントの応用も新しい分野を開拓しています。