コンテンツ
- 3Dプリンターで医療を変革する
- 3Dプリンターはどのように機能しますか？
- 耳を作る
- カビと足場の違い
- 印刷された耳の潜在的な利点
- 下顎の印刷
- 補綴物および埋め込み型アイテム
- その他の例
- 生細胞を用いたバイオプリンティング：可能性のある未来
- 臓器と組織の交換
- いくつかのバイオプリンティングの成功
- ハートのパーツを印刷する
- 角膜の作成
- ミニ臓器、オルガノイド、またはチップ上の臓器の利点
- 肺を模倣した構造
- バイオプリンティングのいくつかの課題
- 参考文献
Linda Cramptonは、高校生に長年にわたって科学と情報技術を教えてきました。彼女は新しいテクノロジーについて学ぶことを楽しんでいます。
3Dプリンターで医療を変革する
3D印刷は、多くの有用なアプリケーションを持つテクノロジーのエキサイティングな側面です。 3Dプリンターの魅力的で潜在的に非常に重要なアプリケーションの1つは、医療で使用できる材料の作成です。これらの材料には、埋め込み型医療機器、人工身体部品または補綴物、およびカスタマイズされた医療機器が含まれます。それらはまた、生きている人間の組織の印刷されたパッチと同様にミニ器官を含みます。将来的には、移植可能な臓器が印刷される可能性があります。
3Dプリンターには、コンピューターのメモリに保存されているデジタルモデルに基づいて、立体的な3次元オブジェクトを印刷する機能があります。一般的な印刷媒体は、印刷後に固化する液体プラスチックですが、他の媒体も利用できます。これらには、粉末金属や生細胞を含む「インク」が含まれます。
人体にやさしい素材を生み出すプリンターの能力は急速に向上しています。いくつかの材料はすでに医学で使用されていますが、他の材料はまだ実験段階にあります。多くの研究者が調査に関与しています。 3D印刷は、医療を変革する魅力的な可能性を秘めています。
3Dプリンターはどのように機能しますか？
プリンタで3次元オブジェクトを作成する最初のステップは、オブジェクトを設計することです。これは、CAD（コンピューター支援設計）プログラムで行われます。設計が完了すると、別のプログラムが一連のレイヤーでオブジェクトを作成するための命令を作成します。この2番目のプログラムは、オブジェクト全体のCADコードを一連のスライスまたは水平レイヤーのコードに変換するため、スライシングプログラムまたはスライサーソフトウェアと呼ばれることもあります。レイヤーの数は数百、場合によっては数千にもなります。
プリンタは、スライサープログラムの指示に従って、オブジェクトの下部から上に向かって材料の層を配置することにより、オブジェクトを作成します。連続するレイヤーが融合されます。このプロセスは、添加剤製造と呼ばれます。
プラスチックフィラメントは、特に消費者向けのプリンターで、3D印刷の媒体としてよく使用されます。プリンターはフィラメントを溶かし、ノズルから熱いプラスチックを押し出します。ノズルは、オブジェクトを作成するために液体プラスチックを放出するときに、すべての次元で移動します。ノズルの動きと押し出されるプラスチックの量は、スライサープログラムによって制御されます。高温のプラスチックは、ノズルから解放された直後に固化します。他のタイプの印刷媒体は、特別な目的のために利用できます。
体の外側から見える耳の部分は、耳介または耳介として知られています。耳の残りの部分は頭蓋骨にあります。耳介の機能は、音波を集めて耳の次の部分に送ることです。
耳を作る
2013年2月、米国のコーネル大学の科学者は、3Dプリントを使用して耳介を作ることができたと発表しました。コーネル大学の科学者が従った手順は次のとおりです。
- 耳のモデルはCADプログラムで作成されました。研究者たちは、このモデルの基礎として実際の耳の写真を使用しました。
- 耳のモデルは、プラスチックを使用して耳の形をした型を作成し、3Dプリンターで印刷されました。
- コラーゲンと呼ばれるタンパク質を含むヒドロゲルを型の中に入れました。ヒドロゲルは水を含むゲルです。
- 軟骨細胞（軟骨を生成する細胞）は牛の耳から得られ、コラーゲンに加えられました。
- コラーゲンの耳を実験用皿の栄養溶液に入れました。耳が溶液中にある間、軟骨細胞のいくつかがコラーゲンに取って代わりました。
- 次に、耳をラットの背中の皮膚の下に移植した。
- 3か月後、耳のコラーゲンは完全に軟骨に置き換わり、耳はその形状と周囲のラット細胞との区別を維持していました。
カビと足場の違い
上記の耳の作成プロセスでは、プラスチック製の耳は不活性な型でした。その唯一の機能は、耳に正しい形を提供することでした。型の内側に形成されたコラーゲンの耳は、軟骨細胞の足場として機能しました。組織工学では、足場は、細胞が成長する特定の形状を持つ生体適合性材料です。足場は正しい形をしているだけでなく、細胞の寿命を支える特性も持っています。
コーネル大学の研究者は、最初の耳の作成プロセスが実行されて以来、耳を作成するために必要な正しい形状でコラーゲン足場を印刷する方法を発見しました。
印刷された耳の潜在的な利点
プリンターを使って作られた耳は、怪我や病気のために自分の耳を失った人々に役立つかもしれません。彼らはまた、耳なしで生まれた人々や適切に発達していない人々を助けることができます。
現時点では、交換用の耳は患者の肋骨の軟骨から作られることがあります。軟骨を手に入れることは患者にとって不快な経験であり、肋骨を損傷する可能性があります。さらに、結果として得られる耳はあまり自然に見えない場合があります。耳も人工素材で作られていますが、やはり完全に満足できるものではないかもしれません。印刷された耳は、より自然な耳のように見え、より効率的に機能する可能性があります。
2013年3月、Oxford Performance Materialsという会社が、男性の頭蓋骨の75％を印刷されたポリマーの頭蓋骨に置き換えたと報告しました。 3Dプリンターは、義肢、補聴器、歯科インプラントなどの医療機器の製造にも使用されます。
下顎の印刷
2012年2月、オランダの科学者は、3Dプリンターで人工の下顎を作成し、83歳の女性の顔に移植したと報告しました。あごは、熱によって溶かされたチタン金属粉末の層から作られ、バイオセラミックコーティングで覆われていました。バイオセラミック材料は、人間の組織と互換性があります。
女性は自分の下顎に慢性的な骨感染症があったため、人工顎を受け取りました。医師は、伝統的な顔の再建手術は、年齢のために女性にとってリスクが高すぎると感じていました。
あごには、動かすことができるように関節があり、筋肉を取り付けるための空洞や血管や神経のための溝がありました。女性は麻酔薬から目覚めるとすぐにいくつかの言葉を言うことができました。翌日、彼女は飲み込むことができました。彼女は4日後に家に帰りました。後日、入れ歯を顎に移植する予定でした。
印刷された構造は、医学教育や手術前の計画にも使用されています。患者の医療スキャンから作成された3次元モデルは、患者の体内の特定の状態を示すことができるため、外科医にとって非常に役立ちます。これにより、複雑な手術が簡単になる場合があります。
補綴物および埋め込み型アイテム
上記の金属製のあごは、義肢または人工の身体部分の一種です。義肢の製造は、3Dプリンターが重要になりつつある分野です。現在、一部の病院は独自のプリンターを所有しているか、プリンターを所有している医療供給会社と協力して活動しています。
3D印刷による補綴物の作成は、多くの場合、従来の製造方法による作成よりも迅速で安価なプロセスです。さらに、デバイスが患者のために特別に設計および印刷されている場合、患者に合わせてカスタマイズされたフィットを作成する方が簡単です。病院のスキャンを使用して、カスタマイズされたデバイスを作成できます。
今日、少なくとも世界の一部の地域では、交換用の手足が3Dプリントされることがよくあります。印刷された腕と手は、従来の方法で製造されたものよりもかなり安価であることがよくあります。ある3D印刷会社は、ウォルトディズニーと協力して、子供向けのカラフルで楽しい義手を作成しています。このイニシアチブは、より手頃な価格のより安価な製品を作成することに加えて、「子供たちが自分の義肢を恥ずかしさや制限ではなく興奮の源として見るのを助ける」ことを目的としています。
その他の例
- 2015年後半、印刷された脊椎が患者に正常に配置されました。患者はまた、印刷された胸骨と胸郭を受け取りました。
- 3D印刷は、改良された歯科インプラントを製造するために使用されます。
- 交換用股関節はしばしば印刷されます。
- 患者の体内の通路の特定のサイズと形状に適合するカテーテルがすぐに一般的になる可能性があります。
- 3D印刷は、補聴器の製造に関係していることがよくあります。
生細胞を用いたバイオプリンティング：可能性のある未来
生細胞を使った印刷、またはバイオプリンティングが今日行われています。それはデリケートなプロセスです。セルが熱くなりすぎてはいけません。 3D印刷のほとんどの方法は、細胞を殺す高温を伴います。さらに、セルのキャリア液がセルに害を与えてはなりません。液体とそれに含まれる細胞は、バイオインク（またはバイオインク）として知られています。
臓器と組織の交換
損傷した臓器を3Dプリンターで作られた臓器に置き換えることは、医学における素晴らしい革命となるでしょう。現時点では、それらを必要とするすべての人が利用できる十分な寄付臓器がありません。
計画は、患者が必要とする臓器を印刷するために、患者自身の体から細胞を採取することです。このプロセスは、臓器拒絶反応を防ぐはずです。細胞は幹細胞である可能性が高く、正しく刺激されたときに他の細胞タイプを生成することができる特殊化されていない細胞です。異なるセルタイプは、正しい順序でプリンタによって配置されます。研究者たちは、少なくともいくつかの種類のヒト細胞は、それらが沈着したときに自己組織化する驚くべき能力を持っていることを発見しています。これは、臓器を作成するプロセスで非常に役立ちます。
生体組織の作成には、バイオプリンターと呼ばれる特殊なタイプの3Dプリンターが使用されます。組織を作成する一般的な方法では、ヒドロゲルを1つのプリンターヘッドから印刷して足場を形成します。それぞれが何千もの細胞を含む小さな液滴が、別のプリンターヘッドから足場に印刷されます。液滴はすぐに結合し、細胞は互いに付着するようになります。所望の構造が形成されたら、ヒドロゲル足場を取り除く。水溶性の場合は剥がしたり洗い流したりする場合があります。生分解性の足場も使用できる。これらは徐々に生体内で分解されます。
医学では、移植とは、臓器または組織をドナーからレシピエントに移すことです。インプラントとは、人工デバイスを患者の体に挿入することです。 3Dバイオプリンティングは、これら2つの極端な中間に位置します。 「移植」と「インプラント」の両方は、バイオプリンターによって製造されたアイテムを指すときに使用されます。
いくつかのバイオプリンティングの成功
3Dプリンターで作成された非生体インプラントと補綴物は、すでに人間に使用されています。生細胞を含むインプラントの使用には、より多くの研究が必要であり、現在実施されています。臓器全体を3D印刷で作成することはまだできませんが、臓器の一部を作成することはできます。打つことができる心筋のパッチ、皮膚のパッチ、血管のセグメント、膝の軟骨など、さまざまな構造が印刷されています。これらはまだ人間に移植されていません。 2017年に、科学者は移植用の人間の皮膚を作成できるプリンターのプロトタイプを発表しましたが、2018年には、他の科学者が目の損傷を修復するためにいつか使用される可能性のあるプロセスで角膜を印刷しました。
2016年には、いくつかの希望に満ちた発見が報告されました。科学者のチームが、マウスの皮膚の下に3種類のバイオプリント構造を移植しました。これらには、赤ちゃんサイズの人間の耳介、筋肉の一部、および人間の顎の骨の一部が含まれていました。周囲からの血管は、マウスの体内にある間、これらすべての構造に伸びていました。組織を生かしておくために血液の供給が必要なので、これはエキサイティングな開発でした。血液は生体組織に栄養素を運び、老廃物を取り除きます。
移植された構造が血管が発達するまで生き続けることができたことに注目することもまた刺激的でした。この偉業は、栄養素がそれらに入ることを可能にする構造内の小さな細孔の存在によって達成されました。
ハートのパーツを印刷する
角膜の作成
英国のニューカッスル大学の科学者は、3Dプリントされた角膜を作成しました。角膜は、私たちの目の透明で最も外側の覆いです。このカバーに深刻な損傷があると、失明を引き起こす可能性があります。角膜移植はしばしば問題を解決しますが、角膜を必要とするすべての人を助けるのに十分な角膜がありません。
科学者たちは健康な人間の角膜から幹細胞を入手しました。次に、細胞をアルギン酸塩とコラーゲンでできたゲルに入れた。ゲルは、細胞がプリンターの単一のノズルを通過するときに細胞を保護しました。ゲルと細胞を正しい形で印刷するのに10分もかかりませんでした。形は人の目をスキャンすることによって得られました。 （医療状況では、患者の目がスキャンされます。）ゲルと細胞の混合物が印刷されると、幹細胞は完全な角膜を生成しました。
印刷工程で作られた角膜は、まだ人間の目に埋め込まれていません。おそらく、そうなるまでにはしばらく時間がかかるでしょう。しかし、彼らは多くの人々を助ける可能性を秘めています。
幹細胞を刺激して、人体の特定の部分を正しいタイミングで作るために必要な特殊な細胞を生成することは、それ自体が課題です。しかし、それは私たちにとって素晴らしい利益をもたらす可能性のあるプロセスです。
ミニ臓器、オルガノイド、またはチップ上の臓器の利点
科学者は、3Dプリント（および他の方法）によってミニ臓器を作成することができました。 「ミニ臓器」は、臓器のミニチュアバージョン、臓器のセクション、または特定の臓器からの組織のパッチです。それらは、ミニオルガンという用語に加えて、さまざまな名前で呼ばれます。印刷された作品には、実物大の臓器に見られるすべての種類の構造が含まれているとは限りませんが、それらは適切な近似値です。研究によると、移植可能ではありませんが、重要な用途がある可能性があります。
ミニ臓器は、ランダムなドナーによって供給された細胞から常に生成されるわけではありません。代わりに、それらはしばしば病気を持っている人の細胞から作られています。研究者は、ミニオルガンに対する薬の効果を確認することができます。薬が有用で有害ではないことがわかった場合、それは患者に与えられるかもしれません。このプロセスにはいくつかの利点があります。 1つは、患者の特定のバージョンの疾患とその特定のゲノムに有益である可能性が高い薬剤を使用できることです。これにより、治療が成功する可能性が高まります。もう1つは、薬が効果的である可能性が高いことを示すことができれば、医師は患者にとって珍しい、または通常は高価な薬を入手できる可能性があるということです。さらに、ミニ臓器で薬物をテストすることで、実験動物の必要性を減らすことができます。
肺を模倣した構造
2019年、ライス大学とワシントン大学の科学者は、動作中の人間の肺を模倣するミニオルガンの作成を実証しました。ミニ肺はヒドロゲルでできています。それは一定の間隔で空気で満たされている小さな肺のような構造を含んでいます。血液で満たされた血管のネットワークが構造を囲んでいます。
刺激されると、シミュレートされた肺とその血管は、壊れることなくリズミカルに伸縮します。ビデオは、構造がどのように機能するかを示しています。オルガノイドはフルサイズではなく、人間の肺のすべての組織を模倣しているわけではありませんが、肺のように動く能力は非常に重要な開発です。
バイオプリンティングのいくつかの課題
移植に適した臓器を作ることは難しい作業です。臓器は、特定のパターンで配置されたさまざまな細胞タイプと組織を含む複雑な構造です。さらに、器官は胚発生中に発達するので、それらはそれらの微細構造と複雑な行動が適切に発達することを可能にする化学信号を受け取ります。人工的に臓器を作ろうとすると、この信号が不足します。
一部の科学者は、最初に、そしておそらく今後しばらくの間、臓器のすべての機能ではなく、単一の機能を実行できる移植可能な構造を印刷すると考えています。これらのより単純な構造は、身体の深刻な欠陥を補う場合に非常に役立つ可能性があります。
バイオプリントされた臓器がインプラントに利用できるようになるまでには何年もかかる可能性がありますが、それ以前にこの技術の新しい利点が見られるかもしれません。研究のペースは上がっているようです。医学に関連する3D印刷の未来は、非常に興味深いだけでなく、刺激的なものになるはずです。
参考文献
- SmithsonianMagazineの3Dプリンターと生きている軟骨細胞によって作成された人工耳。
- BBC（British Broadcasting Corporation）の3Dプリンターで作成された移植顎
- アメリカ機械学会のカラフルな3Dプリント針
- Bioprinterは、TheGuardianから移植用に特注の実験室で育てられた体の部分を作成します
- EurekAlertニュースサービスからの最初の3Dプリントされた人間の角膜
- 3Dプリンターは、ニューサイエンティストからこれまでで最も小さな人間の肝臓を作ります
- ニューサイエンティストの心臓と肝臓の鼓動を模倣したミニ3Dプリント臓器
- ポピュラーメカニクスの肺を模倣した臓器
- 新しい3Dプリンターは、Science Alertの生細胞から等身大の耳、筋肉、骨組織を作成します
- phys.orgの新しいサービスから人間の皮膚を印刷する3Dバイオプリンター
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