3Dプリンターでの人工骨製作

高い強度と骨置換性を持つ人工骨を3Dプリンターで製作

背景

整形外科手術などで、骨の欠損に対する治療には、人工骨がよく使用されています。
近年、精密な形状と高い強度を両立する、3Dプリンターによる人工骨造形が注目を集めていますが、これまでの材料は、骨置換性が無く、生涯にわたって体の中に残り続けるため、長期的な視点で金属アレルギーなどの副作用が懸念されていました。

解決したこと

自分の骨に近い組織構造を再現するためには、骨の内部まで含む3次元構造を設計し、高い精度で3次元造形する必要があります。
この手法では、骨置換性を持つ高強度材料で任意の3次元形状を造形できます。そのため、患者様一人一人異なる形状に合わせた、複雑な形状の人工骨造形などを可能とする、オーダーメード医療のための3Dプリンターとして展開が期待できます。

技術の特徴

人工骨は、以下の手順で製作します。（図1）
生体吸収性を持つリン酸カルシウム粉末層を形成した後、インクジェットヘッドからカルシウムと硬化反応するインクを粉末層の上に塗布します。このプロセスを繰り返すことで造形物を製作します。

図1 3次元積層造形プロセスの概要

インク塗布後は数秒で十分に硬化し、多孔質で高強度な造形物が製作できます。（図2）
また、製作した造形物は、未硬化部を除去して数分水洗いするだけで、細胞が増殖できる状態になります。過熱等の処理も必要ないため、高いスループット（単位時間あたりの処理能力）が期待できます。

図2 3次元積層造形物の走査型電子顕微鏡写真と圧縮強度

製作した人工骨の生体適合性を、以下の様に調べました。

培養環境下での培養細胞の増殖率
動物への移植実験の組織観察

その結果、良好な細胞の増殖率に加えて、速やかに本来の骨組織に入れ替わることを確認しました。（図3）
これは、骨本来が持つ「リモデリング」という代謝機能を阻害しない、良好な人工骨であることを示しています。

図3 ラット大腿骨における既存方法と新造形法材料の比較

リコーの想い

40年以上培ったインクジェットシステムや材料技術を活かし、ヘルスケアをはじめとする社会課題の解決に貢献していきます。

※: 共同研究機関：理化学研究所、名古屋大学

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