3Dプリンターでの人工骨造形

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3Dプリンターで人工骨造形が期待されている背景

現在、整形外科手術や頭頸部手術などにおいて、骨の欠損に関する治療を行う際には人工骨が多く使用されています。

このような治療を行う場合に使用される人工骨は、ブロックや顆粒、セメントといったようにさまざまなタイプのものが販売されており、それぞれに特徴があります。例えば顆粒型の場合は骨置換性（生体骨への置換が促される性質）に優れているものの強度が低いという課題があります。また、セメント型は骨置換性では劣るものの、変形が自由であるとともに強度が高いといった特徴を持っています。

このように人工骨のタイプによってさまざまな特徴があることから対象となる部位によって使い分けが必要となるものの、フレキシブルな対応は難しいとされてきました。こういった背景から、3Dプリンターを使った人工骨の造形が注目を集めている状況です。

3Dプリンターで人工骨造形を行うメリット

3Dプリンターの特徴として、「オーダーメイド品や小ロット品との相性が良い」という点が挙げられます。造形の自由度が高く複雑な形状にも対応できるため、3Dプリンターを使用した人工骨造形を行った場合にはそれぞれの患者に合わせたオーダーメイドの人工骨が製作できるといった点がメリットといえるでしょう。

さらに、3Dプリンターは必要な時にすぐに製作ができるといった点もメリットです。もし外注した場合には、打ち合わせ、製造、配送といったように各段階で時間がかかりますが、3Dプリンターを使用した場合には欲しい時に手に入るといった面もあります。

3Dプリンターで人工骨造形を作る問題点と課題

ここまでご紹介してきた通り、3Dプリンターによる人工骨造形が注目されている状態となっていますが、これまで使用されてきた材料の場合、その素材の特性から骨置換性がないという面がありました。この点から、治療後は体の中に残り続けるため、金属アレルギーなどの副作用について懸念されてきました。

またそのほかの素材で作成された人工骨においても、後処理工程が必要といった点や強度の問題、骨置換性が乏しいなどの課題がありました。このような点から、骨置換性を持ち、さらに高い強度を持つ人工骨の造形について研究が進められてきたということになります。

3Dプリンターで人工骨造形を行った活用事例

3Dプリンターを使用した人工骨造形については、2018年に理化学研究所により、高い強度と骨置換性を持つ人工骨製造の手法を開発したことが発表されています。この手法はインクジェット装置により粉末材料に結合剤を塗布し、固着させて積層する3DプリンターであるBJ（Binder Jetting）方式をベースとしており、リン酸カルシウムの粉末層にカルシウムと効果反応するインクを塗布することにより造形を行います。こちらの方法で造形された人工骨は、3Dプリントしてすぐに使える点に加え、高い強度と骨置換性を持っているという点がメリットとなっています。

また人工骨そのものの造形というわけではありませんが、整形外科分野における人工関節再置換術でも3Dプリンターが活用されています。手術を行う前に3Dプリンターを使って患者の骨の状態を実物大の立体的な模型で再現することによって骨の形状を把握でき、手術計画を立てやすくなります。さらに実物大骨モデルを使って手術の予行演習を行える、患者への手術説明もスムーズに行えるといったメリットが得られます。また、この実物大骨モデルは樹脂ではなく石膏で造形することによって、骨の薄い部分など細かい部分の再現性も高くなるなどのメリットが得られます。

3Dプリンターで人工骨造形する際によくある質問

3Dプリンタで人工骨を造形する際にはどのような準備が必要ですか？

3Dプリンターで造形を行う場合にはまず3Dデータが必要となります。3DCADや3DCGといったソフトでのデザインを行います。さらに、専用ソフトにより3Dプリンタで読み込み可能なデータに変換を行います。

3Dプリンターを運用する際のコストは？

機器の購入費用に加えて、3Dプリントを行う際の材料代、プリンターを稼働させるための電気代などが必要となります。また、安定して稼働させるためには保守費用についても考慮に入れておくことが必要といえるでしょう。