口腔外科手術のためのツールとしてのラピッドプロトタイピング

  RPMTは.物体の形状.構造.接続状態などをコンピュータで記述することで.設計アイデアを一定の構造と機能を持つ試作品や直接製造された物体に自動的かつ迅速に具体化し.CADモデルから物理モデルへの変換時間を80%以上短縮することができます。 デジタル画像技術(CT.MRI.3次元超音波など)を特徴とする診断技術の発達により.人体の3次元断面をコンピューターで簡単に再現することができ.これらのデータをRPMTシステムに転送することで.この部分の組織実体を作成することができるのです。 特に.小ロットで複雑な(例:溝.凸状の肩.中空.入れ子など)形状物の直接生産に適している。異なるプロセス原理の装置を簡単にモジュール化して交換できる。インターネット経由で遠隔製造サービスを利用できる。幅広い材料に対応できる(例:樹脂.プラスチック.紙.パラフィン.フィルム.金属やセラミックの粉.ホイル.シルクなど)。理論的には.原料利用率が100%に達することもある。 また.製造工程では振動や騒音がないため.環境にやさしく.効率的な製造技術となっています。 現在.専用成形機を用いて.最大精度0.001mm.層厚±0.005mm.最大部品サイズ800mm×1600mm×500mm(例:清華大学SSM-1600)を数時間~数十時間/個で達成しています。  顎顔面手術の目的は.患者の顔面器官の生理的・機能的ニーズを満たすだけでなく.患者の外観を個性的に回復することである。そのためには.慎重かつ徹底した術前計画.患者への術後結果の説明.そしてできるだけシンプルな外科手術が必要である。 RPMTの直接的または間接的な介入は.診断(骨折.強直症.歯の詰まりまで).計画.手術のシミュレーション(例えばGatenoらはRPMTを用いて牽引骨形成を予測).治療の補助に重要な役割を果たすため.これらの問題を単純化し.通常なら数回の手術で行われる複雑な整形外科手術を一度の診察で行うことを可能にします。 統計によると.RPMTの適用により.正しい診断率が29.60%.手術の正確さが36.23%.手術時間が17.63%増加しました。 このほか.RPMTは近年.顎顔面外科における組織工学などの基礎研究への応用が注目されており.細胞担体スキャフォールドの製造方法として重要な位置を占めています。  大きく分けると.RPMTの応用は.第一段階として診断・手術用の生体固体モデル.中間段階として治療・リハビリ工学用のインプラント.そして上級段階として人工臓器(代謝プロセスに参加できる「本物の」骨)の3段階に分けられる。  3 顎顔面外科分野で用いられるいくつかのラピッドプロトタイピング技術 RPMTは通常.製造プロセスの原理によって分類される。 (1) Stereo Lithography Apparatus (SLA).感光性液体硬化.ステレオリソグラフィー.立体造形などとも呼ばれる.感光性樹脂を原材料とする技術です。 この技術は.感光性樹脂を原料に.コンピューター制御の紫外線レーザーで原型の意図する断面の輪郭を点ごとにトラックとしてスキャンし.スキャンした部分の樹脂を硬化させ.テーブルを動かしながら新しい樹脂を積層していく.というように製造が完了するまで続けられるものです。 Anderlらは.重度の中顔面裂(前頭蓋窩から硬口蓋まで)を持つ8ヶ月の子供の手術の計画と手術にSLAモデルを使用しました。 HollisterらはSLAモデルを用いて.小型のユカタンブタの下顎関節外側欠損の修復物を作成し.固定にはねじ込み式のネイルを使用しました。 SLAは微細加工も可能で.日本では九州工業大学が50μm程度の模型を製作した。 SLAの欠点は.生物学的に活性な微細構造を作ることが難しいことと.成形時の体積変化で制御が難しいことである。 (2) 積層造形(SLA)  (2) LOM(Laminated Object Manufacturing)。 これは.片面に熱溶融性接着剤を塗布した薄膜材料を.プレハブ原型の内外輪郭にレーザー光線で層状に切断し.加熱ローラーで加熱して切断したばかりの層と下の切断層を接着し.最後に不要な材料を剥がして原型を得る技術である。 LOMプロセスは現在.さまざまな材料(板金やセラミック材料など)を使って開発されています。 LOMは.先天性.外傷性.鎖骨切除後の減圧.感染等による頭蓋顔面骨欠損の硬組織置換に臨床的に使用できる。例えば.OnoらはHAセラミックスを用い.9人の患者の上顎複雑欠損(最大14.7cm×12.0cm)をLOMで修復している。 LOMの欠点は.材料の耐性と接着強度が選択した基板と接着剤の種類に大きく依存することと.廃棄物の分離に時間がかかることである。  (3) SLS(Selected Laser Sintering:選択的レーザー焼結)。 精密にガイドされたレーザービームを使用して.材料の粉末を焼結または溶融し.固化して3次元の原型やモデルを形成するものである。 一般にバインダーを添加せず.後処理もしないため.高強度の模型が形成できる。支持体が不要で.模型の精度が高く(粒径0.1mm未満で±0.01mmまで).ワックスパウダーを使用すればそのまま精密鋳造ワックス型が作成可能である。 初期のSLS法は.気孔間の粉体を除去することが困難であったため.組織工学的な細胞足場材の作製にはあまり適さなかった。 現在のSLAの開発により.焼結体の内部微細構造(気孔と気孔径)をパラメータ制御により調整することが可能となった。 例えば.Cheah らは.レーザーエネルギーを減少させ.走査速度を増加させると X-Z 平面の微小管の孔径が増加する原理を利用して.顎顔面骨腫瘍領域の欠損の再建に重要な.緻密で多孔質のゾーンの形成を制御した薬物遅延デバイスを作成し. Tan らは商用 SLS 装置で 2 つの材料の異なる比率を制御し.ポリエーテルエーテルケトンを使用しました -SLSの欠点は.焼結の際に単位面積あたりの吸収電力を正確にコントロールすることが難しいことと.モデルの表面が比較的粗い場合があり.適切に焼成・研磨を行う必要があることです。  (4) FDM(Fused Deposition Modeling)とは.溶融積層法.金型への溶融押し出し法等とも呼ばれるものである。 それはホットメルトノズルの使用なので.CADによると材料の半流動状態は.固化成形の場所の開発に押出成形と堆積.徐々に堆積.モデルの形成後に固化を層状データ。 Eppleyらは.FDMを用いて個々の患者に合わせた擬似レプリカを作成し.13人の患者の頭蓋再建を行ったが.術中の操作時間を大幅に短縮することができた。 Schantzらは,ニュージーランド白ウサギの頭蓋骨に15 mmの欠損を作り,PCLとフィブリン接着剤を原材料とするFDMを用いて,「頭蓋骨」にある程度の空隙を持たせて欠損を「再現」しました。 “Caoらは.関節軟骨欠損の修復の難しさを解決するために.FDMによる軟骨細胞と骨芽細胞の共生型耐荷重性吸収性足場を提案し.骨軟骨欠損の修復に大きな可能性を示す結果を得ました。 この結果は.骨軟骨欠損の修復に大きな可能性があることを示しています。デメリットは.精度が比較的低いこと.体積のばらつきもあること.FDM法は加熱が必要なため.加工時に成長因子などの活性物質を添加しない足場材を作る場合にのみ適していることです。  (5) 常温マルチインスフレーションフォーミング(TMF)。 この方法は.成形・硬化可能な材料を別々の容器に入れ.複数回の注入で混合・成形するものです。 この方法の利点は.高温による活物質の損傷がないこと.現在のようにヒト骨成長因子を後から配合するのではなく.特殊な方法で処理するため.急速成形の段階で多次元的な配合ができること.徐放化効果もあり.欠損部の骨の治癒を大幅に促進すること.製造過程で材料を変更し.材質.色.機械的特性.熱的特性などさまざまなバリエーションを持たせられること.などである。 また.製造工程で材料を変えて.材料.色.機械的特性.熱的特性の組み合わせが異なる様々な複合材料や非均質材料.多孔質構造体を製造し.機能勾配材料積層体を実現することも可能です。 そのため.生体工学的足場(微細構造化ジェットスタッキング)作製の主要なプロセス手法になることが期待されています。 中国では.清華大学のShi Yanchunらが.分子量が10万に近いPLAにHA.コラーゲン.BMPを配合し.TMF技術により直径と高さが5mmの多孔質円筒を作製した。  4 展望 前述の最も確立された技術に加え.その他にも多くの技術が実用化されている。 3次元スプレーボンディング.フォトマスキング.デジタルアキュムレーション.そして最新のダイレクトシェル工法など.さまざまな工法を駆使しています。 現在.RPMTは海外の医療現場でも精力的に応用されています。 ソフトウェアやハードウェアの標準化.スライス方法の曲線化.さらなるインテリジェント化.装置プロセスの統合化など.まだまだ発展の余地があります。 RPMTを利用して.診断や手術に役立つヒトの組織や臓器を作ることは.大きな発展の可能性を秘めています。 顎顔面手術では.「部位」の特異性により.RPMTがさらに「使える」ようになる。