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医療分野

医療分野における3Dプリンターの活用について。導入事例を調べました。

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引用元:iGUAZU(イグアス)公式HP
<http://www.iguazu-3d.jp/case_study/medical/><http://www.iguazu-3d.jp/case_study/moreinfomation/>

医療業界必見の3Dプリンターニュース

本物のように動かせるシリコン製心臓

2023年までに3Dプリンターで人工心臓が作れるかもしれません。しかも、本物の心臓と同じ役割を果たすほどのものです。

チューリッヒ工科大学のNicholas Cohrs氏率いる研究チームは、まるで本物のような柔らかい動きの、シリコン製心臓を開発しました。まだ実用レベルではありませんが、この研究がきっかけで心臓病の治療方法に革命を起こすでしょう。

シリコン製心臓であっても、人間の心臓血管系のシミュレーションテスト環境で心臓の動きを確認できました。血液と同じ粘度の液体を使用した際にも、きちんと機能しました。人工心臓が本物の心臓と同様に動くことを証明しています。

さらにシリコン製心臓は、本物の心臓とほぼ同じ大きさです。今までの人工心臓は本物を上回るサイズであった点を踏まえると、これも大きな進歩といえます。ただ、耐久度が心拍3000回分程度であり、使用可能時間が30~45分、長くても60分であるのが課題として残されています。

耐久度の問題を解決すれば、人工心臓のさらなる発展が望めるでしょう。Cohrs氏も、「今回はあくまで実現可能性の試験で、我々のゴールは人工心臓の開発に新たな方向性を示すことです」と語っています。 再生医学では、心臓を3Dプリントで出力するのが大きなゴールの1つです。いつしか心臓も、3Dプリンターで作れる時代に突入するでしょう。

参考[1]:GIZMODO(2017/07/24)

入れ歯の基礎を3Dプリンターで作成

3Dプリンターにより、義歯床(入れ歯の基礎部分)の製作技術が開発されました。この製作技術に貢献したのが、口新デンタルソリューションとエフティ・ファインテックプロダクトです。

共同開発によって生み出された、専用の3Dプリンター「FS-320DP」。FS-320DPならば、義歯床の製作に適したポリメチルメタクリレート(PMMA)の出力にも対応しています。また、医療認可済みのPMMAを実際に3Dプリンター用の素材・フィラメントとして用いています。

6~8時間といった短時間で義歯床を制作できるのも、FS-320DPの特徴です。一般的に総入れ歯タイプの義歯を製作する場合は、完成までに約30日間かかります。3Dプリンターを用いれば数時間で義歯床を出力し、歯の型どりから人工歯の並べ作業、樹脂成形、研磨などを含めても約10日間で完成します。大幅な時間短縮に成功しているため、義歯が早く欲しい患者の要望に応えられる技術なのです。

参考[2]:日刊工業新聞 ニュースイッチ(2017/07/20)

歯科医療3Dプリンター市場

現在、3Dプリンターの普及が進んでいる医療分野は歯科医療であるといわれています。歯科技工物と制作する「デンタス」では、全国各地から集まってくる歯型のデータを基に、3Dプリンターを使って歯科技工物を製作しています。技工センターは歯型を基に、銀歯や金歯などの被せモノや詰め物などを作成し、依頼者に発送する等を行っているのです。

2015年6月にハイテク産業市場調査会社である米国スマーテック・マーケティング社が発行した「3Dプリンティング産業レポート」によると、2024年には45億ドル(約5,535億円)に到達すると予想されています。歯科医療は義歯や義歯床などを扱うため、3Dプリンターとの親和性が高く、市場規模は今後も広がっていくことでしょう。

実際に、2018年現在では歯科医療で茨城県にある産業技術総合研究所が、3Dプリンターで金属製の入れ歯フレームを作る手法を開発。従来の半分以下のコストで精度の高い入れ歯を作成できます。アメリカの大手3Dプリンターメーカーは従来の最大2倍の処理で、クラウンなどの歯科医療に必要な部品を大量に生産することを可能にしました。

3Dプリンターの開発が進んだことで、低コストで作れる技術が生まれ、大量生産が可能になり、今まで値段を理由に治療を諦めていた方にも提供できるようになっています。

使用できる色や素材など今後検討すべき課題は残っていますが、一歩一歩解決することで、3Dプリンターは歯科医療だけでなく、医療全体の発展に大きく貢献していくと考えられています。

参考[3]:国産高精細3Dプリンタ アジリスタ コラム
参考[4]:日本経済新聞(2015/09/07)
参考[5]:セカプリ 世界の3Dプリンターニュース
参考[6]:朝日新聞DIGITAL

視覚障害者のための歩行補助具3Dプリンターの活用で量産可能に

株式会社アイプラスプラスは、視覚障害者のための歩行補助具の『オーデコ』を販売しています。

オーデコの製品の特長は、指先の触覚で情報を得るように額で世の中の情報を得ることができるというものです。視覚障害者がよく使用している白杖では感じにくい、人や動物の動きや、地面のでこぼこなどをおでこで感じることができます。

使用者にとっては、制限なく遠くにあるものを感じることができたり、人や車など、連続して動いているものをとらえることができたり、白杖でつたい歩きがしにくい場所で平面を感じることができたり、汚いものや触れない方がよいものなどを事前に感知できることもこの製品の特長です。

ユーザーのニーズに合致した商品のオーデコの課題を解決したのが3Dプリンターです。オーデコはおでこに装着するため、人それぞれで形が違います。カスタマイズして作成する必要がありました。オーダーメイドを実現するために、必要だった技術が3Dプリンターです。

人の額の形状測定を3Dプリンターで行うことで迅速かつ低コストで実現することができました。特に、子どもたちは、成長過程でどんどん額の形状が変化していくので、大人に比べてヘッドバンドを何度も変えなければなりませんが、3Dプリンターを使えば迅速かつ低コストに量産できるので小さい子どもたちへの普及ハードルも低くなっています。障害者福祉の面でも3Dプリンターの技術は大きく貢献しているのです。

参考[7]:丸紅情報システムズ ストライシス 3Dプリンター

3Dプリンターによる補綴物と身体拡張

3Dプリンターで「第3の親指」を作成できます。ロンドン在住のデザイナー兼写真家であるDani Clodeさんが「The Third Thumb Project」を発表しました。手のひらに3Dプリンターで作成した第3の親指を装着して、そこで生まれるさまざまな身体拡張の可能性を研究するものです。

具体的な活用方法としては、「工具を片手で扱っても、安全に作業できる」「新たなギターのコードを生み出して、演奏の幅を広げる」「遊びやスポーツを、より快適に楽しむ」などが挙げられます。身体拡張を行ってこそ初めてできる作業が、今後も提案されるでしょう。

第3の親指の操作は、Bluetooth経由で行われます。脚部にはユニットがあり、圧力センサーやバッテリー、Bluetooth接続機能を搭載。脚部で操作したデータを基にして第3の親指を挙動させる、これが一連の流れとなります。

発表者のDani Clodeさんは、ロイヤル・カレッジ・オブ・アート出身です。ロイヤル・カレッジ・オブ・アートとはロンドンの国立美術大学であり、QS世界大学ランキングの美術系分野でトップクラスに格付けされた学校です。彼女は補綴物の構築だけではなく、より自己表現を行えるための研究を行なっています。人間が身体拡張することに対して、理解のある社会づくりを目指しているそうです。

参考[8]:Gigazine(2017/07/07)

大阪大学、3Dプリンターで体組織を造形

生きた細胞から臓器・組織の元となる構造体を作りだす「バイオ3Dプリンター」を使用し、大阪大学の教授が体組織造形技術を開発しました。

家庭用2次元インクジェットプリンターが紙にインクを噴射させて印刷するように、バイオ3Dプリンターは細胞の入った溶液をインクのように噴射し固めて構造体を作ります。細胞の機能を維持したまま構造体がつくれるので、2つの構造を含む体組織の製造も可能。たとえば血管細胞と皮膚細胞の構造体を同時に噴射し固めれば、血管の構造をもった皮膚組織を生み出せるのです。

これまでは組織を固める溶液としてヒアルロン酸やコラーゲンなどを使用していましたが、これらは一瞬で固まらず軟骨など一部の細胞のみに使用されていました。多用な組織を立体的な構造体として作るには、固まるスピードを速くする必要があったのです。そこで大阪大学の教授らが目を付けたのが「ペルオキシダーゼ」という西洋わさびに含まれる酵素。この酵素は過酸化水素と反応して分子同士を結合させる能力をもつため、細胞を瞬時に固めるために大抜擢されました。ヒアルロン酸などの溶液でもペルオキシダーゼが作用するように工夫することで細胞が瞬時に固まり、構造体を作り出すことを可能にしました。

残る課題はバイオ3Dプリンターがより複雑な構造体を作れるように、同時に溶液を噴射・大量の溶液を使用可能にすること。この壁さえ突破できれば、将来患者1人ひとりに特化した体組織の構造体の作成が実現できます。再生医療の飛躍的進歩に繋がるでしょう。

参考[9]:日刊工業新聞

3Dプリンターが起こす医療革命

3Dプリンターの進歩は目覚ましく、医療分野ではヨーロッパやアメリカを中心に手術計画、研修医の教育、手術器具や装具の制作などに幅広く応用が進んでいます。

例えば、研修医や執刀医が、本番と近い状態で手術の練習をすることができるようになっていることです。

3Dプリンターの再現性により、臓器を本物にかなり近い形で作成することが可能です。血液や皮膚の色を再現できたり、硬質、軟質、ゴム状といった異なる素材を用いることで臓器ごとの質感まで再現できたりするようになっているため、手術の検証時に役立っています。

さらにそうした臓器は、家族への治療説明をする際に使用することによって家族によりわかりやすく納得感のある説明をすることができます。さらに、執刀医がこの臓器モデルに実際にメスを入れることによって、手術のシミュレーションを行うことで高度な手術の前には予行演習を行うことが可能になっています。

近年では、海外の病院や研究所には3Dプリンターのエンジニアが常駐し、手術にあたる医師らと緊密に連携しながら臓器モデルを作成しているといいます。

医療現場で活用される3Dプリンター技術

3Dプリンターは医療現場において、研修医のトレーニングをはじめ、リハビリ用具の製作などにも活用されています。

また、執刀医が使いやすいオーダーメイドの手術器具や、個々の患者の手足の形状や好みに対応したパーソナルな装具の製作にも活用されています。臓器の作成だけでなく、その周りの医療機器までも3Dプリンターの技術によって作成することが可能になっているのです。

3Dプリンターによって「試作・検証」が低コストで可能に

長野県小諸市のスポーツ用品メーカー「キザキ」は、視覚障害のある子どものための白杖(はくじょう)を開発しました。

いままでは、子ども用の白杖は大人用の杖を切断して使っていました。開発の際には、3Dプリンターを用いて何度も検証が繰り返され1年半の試作を経て持ちやすく使いやすいデザインで作成されました。

医療分野における3Dプリンターとは

3Dプリンターの性能や可能性は医療分野でも注目されています。3Dプリンターを医療に応用しようという動きは以前から行われており、多くの教授が医療応用について研究を行っています。特に義手や人工の骨、インプラントなどは、金型生産とは異なり1個1個オーダーメイドでの製作が必要ですが、3Dプリンターは必要な分を短期間で精密に作ることができるというメリットがあり、医療分野においての活用が期待されています。現在どのような場面で3Dプリンターが活用されているのか、導入事例を紹介します。

導入事例

「再生医療」への活用

3Dプリンターというと、製造業の試作品開発などで活躍しているイメージが抱かれがちです。実際、製造業の現場では3Dプリンターの活用によって、製品の設計にかかるコストや時間の短縮に好影響を与えるなど、確かな効果をあげています。この3Dプリンターを、医療の現場で活用している医療施設が存在します。それが大阪府吹田市にある「国立循環器病研究センター」です。

この国立循環器病研究センターは、心臓病や高血圧など心臓や血管の不調が原因で生じる循環器病に対して、高度医療を行っている施設として知られています。また、日本全国を見渡しても数少ない、心臓移植に対応している病院です。その中にある「医工学材料研究室」は、工学技術を医療に生かす研究を探っている機関であり、この施設こそが医療と3Dプリンターを結びつけています。具体的には、3Dプリンター「ProJet」を利用することで、人工心臓弁を再生医療によって実現する研究が進められているのです。

同医療施設で進められる再生医学は、「iPS細胞やES細胞による人工臓器開発」など世間で思われている未来的な医療ではなく、より現実的な医療となっています。再生医学による人工心臓弁開発はその中の一つです。人間の身体は、体内の奥深くに異物が入ってきた場合、押し出すのではなくコラーゲンカプセルによって覆うことで隔離させる性質を持っているのが特徴です。そこで、国立循環器病研究センターではこの特性を活かし、まずは人工心臓弁のひな形である「シリコン製物体」を埋め込み。この物体周りをコラーゲンが覆った段階で取り出し、コラーゲンを利用した人工心臓弁を作り出していきます。

しかし、このシリコン製物体は製造に長い時間がかかるのが課題でした。1年間に1つ作るのがやっとであり、これでは研究をスムーズに進めることができません。そこで導入が検討されたのが、3Dプリンターです。導入後は、5年に5台の製造がやっとだったシリコン製物体を、9ヶ月で5台製造できるようになりました。この性能の高さが評価され、現在では人工血管開発においても3Dプリンターの製造が検討されています。3Dプリンターを使用すれば、患者の血管の形状に合わせたステントグラフト(人工血管回りにバネ状の金属が取り付けられた新型人工血管)の開発ができる可能性があり、医療の発展への貢献が見込まれています。

参考:iGUAZU

医療用モデルの製作

例えば脳や肝臓、骨などの医療用モデルを3Dプリンターで製作することで、研修時や患者と家族に説明する際のモデルとして分かりやすく説明をすることができます。例えばCT画像から3Dプリンターで肝臓モデルを作ることで、手術で切る場所や腫瘍の取り出し方を患者に説明することも可能です。

義手や人工骨の製作

電気通信大学の研究チームでは3Dプリンターで作る筋電義手を開発しています。3Dプリンターなら個人に合わせた形状を24時間で製作することが可能であり、素早く作ることができます。現在は製品化と臨床応用を目指し、さらなる研究を行っているとのこと。また3Dプリンターによる人工骨も実用化に向けて開発中です。3Dプリンター製作の人工骨は、従来の人工骨よりも骨への癒着が早く、自骨への変化も早いといった特徴があります。

オーダーメイド補聴器

デンマークでは補聴器メーカーが3Dプリンターを利用したオーダーメイド補聴器の販売を始めました。液状のシリコンを耳に注入し、耳の形を取ったあとスキャナーで読み取り、3Dデータを作成します。これにより耳にぴったりとフィットする補聴器を作ることができ、既成の補聴器を付けることによる負担も少なくなります。

おなかの中の赤ちゃんを立体的にプレゼントとして

3Dプリンターの技術を用いて、出産前に赤ちゃんの容姿に触れられる、そんな画期的なサービスが始まっています。丸紅情報システムズ(MSYS)は2017年10月から、妊婦のおなかの中の赤ちゃんを、3Dプリンターで再現するサービスを提供しています。

狙いは、出産の記念や、家族へのプレゼントにしてもらうことです。産婦人科や医療機関とも提携し、本格的に広げていくようです。再現には超音波検査「4Dエコー」の立体的な赤ちゃんの画像を使います。丸紅情報システムズが扱う3Dプリンターを使って、アクリル系樹脂製の置物を作ります。2~3週間ほどで完成することができます。

妊婦の間では、出産前に胎児の立体的な画像を見たいというニーズが多くありました。担当者は、赤ちゃんが大きくなった時に懐かしんでほしいと話しています。

3Dプリンターでドレーン固定具を開発

手術後に胸腹腔(ふくくう)内にたまる液体を体外に排出する管を知っているでしょうか。その名も「ドレーンカテーテル」といいます。その固定具を、静岡県長泉町の県立静岡がんセンターとファルマバレーセンター(県医療健康産業研究開発センター)、それにプラスチック部品メーカー「ハヤブサ」が共同開発しました(朝日新聞2017年7月21日)。

ドレーンの固定は、従来は手作りでした。看護師たちが、紙コップをはさみで切って羽根を作り、テープで患者の体に留め、底に穴を開けて管を通していたのです。

しかし、その方法では不安定なため、固定化したいという要望が上がっていました。また、その方法ですと、管を刺した部位を看護師が見ることができないため、意図せず抜けてしまうこともしばしばあったそうです。すぐに捨ててしまうため、手作りで間に合わせていたようですが、頑丈なことにこしたことはありません。

そこで、院長がファルマバレーセンターのアイデアボックス投稿したことがきっかけで、3Dプリンターの技術を用いて作成することになったのです。長さをミリ単位で調整し、羽根とカップの間に切れ込みを入れて柔軟性を高め、どんな患者の体にもピタッと添うようにしました。使い勝手について、看護師の約9割良いと回答しています。

今後も3Dプリンターを使った医療器具の開発、活用は広がっていくことでしょう。

3Dプリンターで義足を製作

義肢装具の開発を手がけるインスタリムが3Dプリントを使って義足の商品化のために実験の開始を始めました。今まで多くの費用がかかる義足を持てなかった人たちに新しい足を使ってもらうための機会です。

まず、3Dのソフトとプリンターを使って、精密な形を作っていきます。仮出力で身体に触れる部分(ソケットという)を試着してもらい、依頼人の声にあわせて修正を繰り返すそうです。繰り返し細やかな修正を行うことで、依頼人の身体にあわせた負担の少ない品ができあがるとのこと。この義足のポイントは、製作途中で必ず義肢装具士の修正が必要になる点です。

今までの義足は、1足あたり少なくても30万円、多いと100万円ほどかかることもあり、製作期間も2~3週間必要となります。この3Dプリンターを利用した義足作りも専門家の声は必要です。しかし、今後はAIを利用することで、従来の10%の価格や短期間での作成を目標が目指せるかもしれません。

このインスタリムでの義足作りでは、AIに修正データを蓄積させていきます。専門家の知識、経験をAIに積ませていくのです。積み重ねたデータをもとに、専門家である義肢装具士がいない地域でも義足の製作が可能になることでしょう。その分、値段も安くなることが見込めます。

フィリピンで義足を必要とするユーザーの中で義足を所有しているのは一握りだそうです。フィリピンには専門家である義肢装具士の存在が少なく、義足を作るにはお金がかかります。そのためインスタリウムは収益が少なくとも、費用を抑えた開発で価格も安くし、マーケットの拡大を目指しているとのこと。

実験でフィリピンの患者データを集めることで、フィリピン以外の国への市場展開も考えられるでしょう。義足が手ごろな価格になれば1人1足ではなく使い道に合わせて製作した義足を2足、3足と所有が実現するかもしれません。なかでも、女性はサンダルやブーツ、ヒールなど、靴の種類が多いもの。この義足を取り扱った3Dプリントの事業は、2019年の春にはフィリピンで本格的に始まる見込みです。

今後の展望

医療分野での3Dプリンターの良さは、安価かつ容易に個人に合わせたモデルを作れることです。時間やコスト、部品の組み合わせで重くなる義手や骨も、小型かつ軽量に作ることができます。最近では3Dプリンターによる臓器の作成も研究が進んできているため、今後は再生医療の分野においても大きな進歩が期待されています。

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