3Dプリント金属義肢の人体への応用

著者：南京中医薬大学常熟付属病院副主任医師、穆普

評者：南京大学医学部付属鼓楼病院主任医師 王偉軍

3D プリントされた金属義肢の人体への応用は現在、急速な発展段階にあります。高度なカスタマイズ性と精度により、個別化医療のニーズに大きく応えます。この技術は、股関節、膝関節、歯科インプラントなどの金属人工器官など、整形外科や歯科で広く使用されています[1-2]。 3D プリント技術により、患者の解剖学的構造に適合しやすくなり、インプラントの機能性と耐久性が向上します。

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1. 現状

1. 個別化医療

3D プリント技術により、患者の特定の解剖学的構造に正確に一致するオーダーメイドの義肢の設計と製造が可能になり、手術の成功率と患者の満足度が向上します。

2. 複雑な構造物の製造

3D プリントは、従来の製造方法では実現が難しい複雑な幾何学的構造を作り出すことができるため、義肢の物理的特性が向上するだけでなく、生体適合性も向上します。

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3. 素材の多様性

一般的に使用される金属材料には、強度、耐腐食性、生体適合性に優れたチタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金などがあります。

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2. 今後の開発の方向性

1. パーソナライゼーション

（1）カスタマイズ設計：3Dプリント技術は、患者の特定の解剖学的データ（CTやMRI検査結果など）に基づいて正確に適合した義肢を作成できるため、義肢のフィット感が向上するだけでなく、術後の回復時間も短縮されます。

（２）オンデマンド製造：従来の製造における在庫管理や廃棄の問題を回避し、オンデマンド生産を実現します。これは、特別なサイズや形状を必要とする義肢に特に有益であり、患者のニーズに迅速に対応することができます。

（３）パーソナライズされた外観：患者の個人的な好みに基づいた美的要素をデザインに取り入れることで、患者の義歯に対する受容性と満足度が向上します。

2. 機能化

（１）多孔質構造：多孔質で傾斜した材料を設計することで、骨組織と人工関節の統合を促進し、生体適合性を高め、治癒プロセスを加速することができます。

（２）薬剤負荷機能：人工関節内に薬剤を埋め込み、手術後に抗生物質やその他の治療薬を放出することで感染リスクを軽減し、回復を促進する[3]。

（３）材料革新：新しい合金や複合材料の開発により、より優れた強度、靭性、生体適合性が得られ、身体のさまざまな部位の人工器官の機能要件を満たすことができる。

3. インテリジェント

（１）埋め込みセンサー：義肢にセンサーを組み込み、ストレス、温度、位置変化などの生物学的パラメータを監視します。これらのデータは、術後のモニタリングや人工関節の機能状態の評価に使用することができます[4]。

（２）フィードバック・調整機能：スマート義肢はリアルタイムのモニタリングデータに基づいて自己調整し、患者の活動状況や環境の変化に適応し、動的なサポートを提供します。

（３）データ統合：義肢データを医療システムに統合することで、医師はより適切な治療計画を立てることができ、医療全体の質が向上します。

これらの開発方向は、医療分野における 3D プリント技術の進歩を促進するだけでなく、個別化医療と精密医療の新たな章を開き、人工器官を静的な代替品から人体のニーズに動的に適応できるインテリジェントなデバイスへと変革します。

参考文献:

Rodriguez Colon R、Nayak VV、Parente PEL、Leucht P、Tovar N、Lin CC、Rezzadeh K、Hacquebord JH、Coelho PG、Witek L. 整形外科における 3D プリンティングの存在: 臨床および材料のレビュー。整形外科ジャーナル2023, 41(3): 601-613.出典：10.1002/jor.25388.

Pradies G、Morón-Conejo B、Martínez-Rus F、Salido MP、Berrendero S. 歯科インプラント学における 3D プリントの最新アプリケーション: 証拠をマッピングしたスコープレビュー。臨床口腔インプラント研究2024, 35(8): 1011-1032.出典：10.1111/clr.14198.

Anushikaa R、Ganesh SS、Victoria VSS、Shanmugavadivu A、Lavanya K、Lekhavadhani S、Selvamurugan N。ストロンチウム添加銀ナノ粒子を含むゼラチンハイドロゲルを搭載した 3D プリントチタンスキャフォールドは、骨組織工学における骨芽細胞の分化と抗菌活性を促進します。バイオテクノロジージャーナル2024、19（8）：e2400288。出典：10.1002/biot.202400288.

Zhou H、Tawk C、Alici G。手のジェスチャー間の直接的な移行と、把持の質と多様性の向上を実現する埋め込み型ソフトセンサーを備えた 3D プリントソフトロボットハンド。 IEEE トランスニューラルシステムリハビリテーションエンジニアリング2022, 30: 550-558.土井: 10.1109/TNSRE.2022.3156116。