3Dプリンティングで医療をサポート

バイオメディカル材料のイノベーション

文・謝宜婷　写真・工研院　翻訳・笹岡敦子

5月 2022

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3Dプリンティング技術で製造したバイオミメティクス（生体模倣）のボルト。人体組織との融合性が高く、実験でも患者の回復期間を大幅に短縮できることが証明された。

3Dプリントで何ができるだろう。模型、家、それともピザだろうか。人々の想像が単純な積層にとどまっていたころ、台湾の科学者は、実験室で3Dプリンティング技術で人工皮膚、人工骨、義歯床など、精密なバイオマテリアルを開発していた。迅速に、かつカスタム仕様で患者のニーズに応えることができる。

工業技術研究院（ITRI）が開発した「生体適合を促進するバイオミメティクス（生体模倣）3Dプリント技術」は、微細な気孔があり、安定性の高い骨に近い構造をもつ。血管と細胞がその隙間に生長していくのである。この技術の派生製品は、すでに政府衛生福利部の販売許可を取得し、2021年にはアメリカのR&D 100アワードを受賞している。より複雑な成分からなる人工皮膚組織も、工業技術研究院の技術なら6日でプリントでき、増殖と分化も完了する。皮膚分化の速度が世界で最も速いシステムである。今後、さらに多くの海外の研究チームとの交流を進め、3Dプリンティング技術を活用して、医師や研究者に効率も精度も高い組織再生技術を提供していくことを目指している。

人体と繋がる3Dプリント人工骨

3Dプリントとは、製品の立体設計データをコンピュータにインプットし、各層ごとの全体構造を分析し、粉末を積み重ねて一つの造形にするものである。粉末を形にする方法は、粉末の性質によって異なる。バイオマテリアルとしてよく使われるチタン粉末はレーザーを照射して溶融し、人工皮膚をつくるコラーゲンは温度調節しながらノズルから押し出して成型する。

原理は簡単だが、細部にわたる注意が必要である。人工骨の場合、ヨーロッパにも技術チームがあるが、工業技術研究院は「力学構造設計‧工程品質‧安定性」で勝るという。工業技術研究院バイオメディカル‧テクノロジー&デバイス研究所‧副所長の沈欣欣は、3Dプリントの際には精密に温度を制御しなければ、溶融した粉末が安定した構造にならないという。

ひな型ができたら、数百万回に及ぶ動的‧静的疲労試験を行う。異なる人工骨構造には、それぞれ測定の法規定がある。頸椎であれば回転したり頷いたりする動きがあり、また腰椎には大きな負荷がかかる。工業技術研究院には現在5～6種の人工骨があり、FDA（アメリカ食品医薬品局）が定める異なる部位ごとの力学的基準をクリアしている。

人工骨の開発には、医師の臨床経験の導入が不可欠である。工業技術研究院南分院ジェネラルディレクターの曹芳海は、製品の動物実験や人体への治験を行なう際に、医師と共に手術室に入り、全プロセスを見守る。12時間に及ぶこともある。「予期せぬ事態が起きることはよくあり、そのたびに医師がその場でマテリアルを調整するのです」話し合いを重ね、筋肉細胞と骨細胞の性質と傾向を理解した上で、工業技術研究院はより周囲の生理的構造に適したマテリアルを設計し、近接する組織の損傷や、人体が「異物」を排除する拒絶反応を抑えている。

「以前は空洞のない人工骨を使っていたため、移植しても細胞は表面にしか生育しませんでしたが、空洞がある人工骨には、組織の細胞が侵入して、人工骨が組織の一部になり、位置ずれが起きません」沈欣欣は、人工骨の構造設計に加え、バイオセラミックや骨形成性薬剤の添加によって、骨形成を誘導し、生体適合性を高めているという。当初は3Dプリントの高コストや製品構造の安定性に不安があったが、組織を超えた討論や検証を重ね、現在の製品コストは従来の人工骨と変わらないレベルになった。今後、従来の人工骨に取って代わる可能性は高い。

工業技術研究院は3Dプリンティング技術を利用し、強度が高く、微細な気孔に細胞が生長しやすい多様な骨材をカスタマイズ製造している。

カスタマイズで快適

人工骨より先に開発が進んだ「3Dプリント金属義歯床」に話が及ぶと、曹芳海は意気込んだ。従来の義歯床にはコバルトクロム合金が使われ、口腔の構造と100%同じにはならないため、装着するとどうしても違和感があり、食事のときしか使わない人もいるくらいである。「3Dプリントはまず口腔をスキャンしますから、作った義歯床は完全に自分のものです。舌が金属に触れる感触も従来とは違います」と言う。

こうした精密な技術で作られた義歯床は、人々が負担できるものなのだろうか。曹芳海は笑いながらこう答える。「機械なら同時に20個、違う患者それぞれの製品を作れます。コストは従来と変わりません」台湾南部の医学センター（特定機能病院に相当）を受診すれば、3Dプリント義歯床と民間の歯科技工所が作製するクラウンを、カスタムメイドで作ることができる。この分野を更に前進させるために、工業技術研究院からほど近い高雄サイエンスパークに医療材料の法規定に準じた環境を構築し、新世代の歯科技工士向け3Dプリンターの開発に取り組んでいる。

人工骨よりはるかに複雑な成分からなる人工皮膚の場合、プリントする粉末の原料は金属ではなく、細胞とコラーゲンである。プリントには膨大な量の細胞が必要になる。そこで工業技術研究院バイオメディカル‧テクノロジー&デバイス研究所の初めの一歩は、細胞の培養‧分化に必要な成分を探すことだった。そして「正しい」材料を選び、真皮層と表皮層を一つに造形したときに最もよい組合せになるようにし、更に6日間を経て成熟させる。

「海外の大手メーカーでは真皮の培養に数週間、そこに表皮を載せるのに、早くて21～28日かかります」と言う。これに対して工業技術研究院の効率の高さは、材料選別の精度の高さにあると沈欣欣は言う。コラーゲンの種類と由来、異なる力学的強度の真皮と表皮を一つにするときに使う材料などの選択である。「想像してみてください。弾性が異なる2種類のキャラメルを繋ぎ合わせるとしたら、どんな材料が適切でしょうか」と沈は例を挙げる。

工業技術研究院が作った人工皮膚は用途が広い。特にEUと台湾はこの十年の間に動物実験の禁止令を発してきたから、人工皮膚が化粧品やスキンケア商品の測定材料にもなる。製薬会社も、紫外線曝露による損傷、アンチエイジング、傷口癒合など、体表面の皮膚組織の試験に使用している。人工皮膚に幹細胞を加えて、熱傷患者のための人工皮膚も作れる。

海外メーカーから工業技術研究院に購入の問い合わせもある。2019年にはチェコ科学アカデミーの研究者が訪台し、1か月かけて製造工程を視察し、チェコの細胞バンクと台湾の材料や技術をいかに組み合わせたら、チェコ人の体質に合う人工皮膚を製造できるのか考えた。

人工皮膚は化粧品業界ではすでに主流になっており、ロレアルなど著名ブランドがR&Dセンターを設立している。沈欣欣は、これから大手メーカーとの提携で、台湾の効率‧品質ともに高い技術を、多くの国に売り込んでいくことが期待されるという。

NGのない3Dプリント

台湾の3Dプリンティング技術は世界有数だが、その鍵はなんだろう。「工業技術研究院は、多彩な分野の組織が効率よく協力しコミュニケーションできるのです」と沈は分析する。さらに試行錯誤を重ね、経験を蓄積し、工業技術研究院は組み込みソフトウェアとデータベースを作った。プリントがうまくいく要素をシステムが自動的に探し出す。曹芳海は言う。「3Dプリントは、インプットした設計図通りに機械が勝手に完成品をプリントアウトしてくれると思われがちです。しかし実際は、材料の特性やプリントに必要なエネルギー、液体から固体になる時の変化などを理解している必要があります」

この「ゼロNG」ソフトがあれば、初心者が3Dプリントを模索する期間が、2～3ヵ月から1～2週間へと大幅に短縮できる。国内のバイオメディカル、航空宇宙、靴製造などの業界ですでに使われ、海外のメーカーからも引き合いがある。工業技術研究院の3Dプリンティングは、製品の開発も製造も、数多くの外国メーカーよりはるかに速い。3Dプリントの皮膚は6日、義歯床は1日で、人工骨は8時間で完成する。

技術のイノベーションだけでなく、若い医師たちが、この技術を使ってフィードバックしてくれている。それも3Dプリントがうまく医療分野に入り込めた要因である。将来、手術室にも3Dプリンティングの戦力を派遣することになるだろう。「今、いつでも組織の層をプリントアウトして手術に使える設備を開発中です。大きさはコーヒーメーカーほどです」沈欣欣は、このプリンターのひな型はもう完成しており、今後、手術の急な需要に応えられるという。SF映画のようなシーンが、間もなく実現する。「わたしはいつもチームの皆のために祈っています。チームは必ず私の夢を実現してくれます」と沈欣欣は笑う。

あらゆる技術革新が、すべて人類のよりよい生活につながる。曹芳海が、3Dプリントの口‧顎補綴物を使用した患者の話をしてくれた。手術が成功し、感激して鏡に映る自分に見入っていたその光景は、曹芳海の脳裏に焼き付いている。曹は自信をもってこう試算する。あと30～40例の治験が成功すれば、この技術で年間8,000人近い台湾の口腔がん患者を助けることができるだろうと。3Dプリンティング技術の医療分野への応用で、工業技術研究院は輝かしい成績を収めている。交流を求める各国の学術機関やメーカーを、心から歓迎したい。「Taiwan can help」の精神を再び実践する時である。