積層造形
3Dプリンティングでヒト臓器 – どれほどリアルか？
3Dプリンティングの世界は急速に拡大しています。推定では、3Dプリンティングの世界市場規模—製品とサービス—は2020年から2026年の間に3倍に成長するとされています。2020年の時点で126億米ドルと評価されていた市場は、2026年までに370億米ドルを超える可能性があります。
市場の急増は、イノベーションが起こる場—機関や企業レベルの両方—によってしっかりと支えられています。例えば、米国の大手テック企業は3Dプリンティングに非常に積極的で、2010年以降に出願した特許数からも明らかです。General Electricsは、2010年から2019年の間に342件の特許を出願しています。
しかし、3Dプリンティングの領域は常に実生活への適用可能性という重要な疑問に直面してきました。科学的に刺激的で魅力的な分野である一方で、多くの人が『どれほどリアルなのか？』と問いかけています。
最近、バージニア大学工学応用科学部の研究チームが、ヒトに適合する臓器の最初の構成要素となるテンプレートをオンデマンドで印刷することに成功した実験が、実現可能性の高さを示しました。次のセクションでは、その実験と達成したことを詳しく見ていきます。
さまざまなヒト組織の機械的特性に合わせた制御可能なバイオマテリアル
この実験は蔡礼恒（Liheng Cai）と朱金昌（Jinchang Zhu）が主導しました。蔡礼恒は材料科学・工学および化学工学の助教授で、朱金昌は彼の博士課程の学生です。
彼らが採用したバイオプリンティング手法はデジタル球状粒子組立（Digital Assembly of Spherical Particles、略称DASP）と呼ばれます。この技術は水性の支持マトリックスにバイオマテリアル粒子を沈積させ、細胞が成長しやすい環境を提供する3次元構造を構築します。
研究成果を『Nature Communications』誌に掲載した際、科学者たちは報告書に『Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets』と名付けました。‘Voxel（ボクセル）’という用語は、印刷プロセスがピクセルの3次元版である‘ボクセル’が3次元オブジェクトを構築する方法に従っていることに由来します。
「私たちの新しいハイドロゲル粒子は、これまでに作成した中で初の機能的ボクセルです。機械的特性を精密に制御できるこのボクセルは、将来のプリンティング構造の基本的な構成要素の一つとなり得ます。」
一般ユーザー向けにより具体的に説明しようとした Zhu は、他のバイオプリンティング手法と比較した際の自らの技術の際立った特長を強調しました。彼は技術における『制御』要素を強調し、これによりオルガノイドの印刷が可能になったと述べました。
これらのオルガノイドは、ヒト組織として機能し得る3次元細胞ベースのモデルに過ぎません。疾患の進行を研究し、治療法の探索を進めるために活用できるでしょう。
既存のバイオプリンティング技術と比較した大きな飛躍
Zhu は、自らのイノベーションを既存のバイオプリンティング技術と比較して『大きな飛躍』と呼びました。その理由は『頑丈で細胞に優しい』からです。実験で使用されたポリマーハイドロゲル粒子は、単一分子モノマーの配列と化学結合を調整することで、人間の組織を模倣でき、これらが鎖状に結合してネットワークを形成します。
他の類似ソリューションと比較して、蔡と朱が提供したソリューションは、毒性が低く、生体適合性が高いことが判明しました。
チームはバイオプリンターの使用においても大幅な改善を達成しました。設計した多チャンネルノズルはハイドロゲル成分をオンデマンドで混合でき、液滴が60秒以内に弾性のある水膨張ゲルへと変わる超高速架橋に起因する課題を解決しました。
DASP技術は、狭く高速で移動するノズルから大きな液滴をマトリックスに沈積させ、即座に懸濁させることでこのボトルネックを取り除きます。ある意味で、ソフトマター科学と3Dバイオプリンティングの核心課題である粘弾性ボクセルの精密操作を解決しています。成果をまとめて、蔡は次のように述べました：
「我々は現在、ボクセル化バイオプリンティングの基盤を築きました。完全に実現すれば、DASPの応用は人工臓器移植、疾患・組織モデリング、新薬候補のスクリーニングなどを含むでしょう。そしてそれだけに留まらないと考えています。」
ご覧のとおり、3Dバイオプリンティングに関するイノベーションは長年続いています。そのため、多くの有名企業がこの技術を採用していることは明らかです。以下のセクションでは、医療科学とヘルスケア技術の分野でこの領域を支えている2社に焦点を当てます。
#1. Northwell Health
同社は『あなたの治療法を3Dプリントする最初の医療システムになることに100％献身している』と主張しています。この分野でのNorthwell Healthの最も重要な取り組みの一つは、義肢に関するものです。
同社は3Dプリントした両生類用義肢。このソリューションは 義足使用者が義肢を交換せずに水中に出入りできるフィンです。
このフィンの利点は、最先端のカーボンファイバー素材を使用し、人間工学に基づく形状を活かして耐久性と効率的な動きを実現している点です。Northwellはカーボンファイバー強化ナイロンでフィンを印刷し、強度と柔軟性を追求しました。さらに、耐久性が高いため陸上でも水中でも使用可能です。
このフィンは独自の素材ダイナミクスを持っています。円錐形の穴が設けられ、水の通過量を制御できます。穴の設計と配置により、水中で自然な抗力と推進力が得られます。穴の数は義足使用者の特定のニーズに合わせて調整可能です。
Northwell Healthは、外科医が手術計画を立てやすくするための3Dプリントされた詳細な人体モデルの開発に長年取り組んできました。同社は3Dプリンティングが大きなトレンドになる前からその可能性を実感していました。
「医療における3Dプリンティングの活用により、患者の解剖学情報をコンピュータ画面から取り出し、医師の手に直接渡すことが可能になります。この種の技術は関係者全員にとってゲームチェンジャーであり、医師は病変をより明確に可視化でき、患者は必要な治療を実際に見ることができ、ほぼすべての診療科でより正確で患者個別の治療が可能になります。」
2023年、Northwell Healthは収益169億米ドル、EBITDAマージン6.3％を記録しました。
#2. Psyonic
この分野で顕著な成果を上げているもう一つの企業はPsyonicです。Ability HandはPsyonicの旗艦製品で、世界最速かつ初のタッチセンシングバイオニックハンドです。生活と可動性を取り戻すことを約束し、Psyonicは3Dプリンティングを活用して効率的にプロトタイプを作成し、手頃さとアクセス性を向上させ、耐久性と衝撃抵抗性を強化しています。
Psyonicは、バイオニックハンドの指先に圧力を検知し、物体を握った際に腕へ振動で感覚を伝えるセンサーを組み込むことで、ソリューションに大きな価値を付加しました。
その結果、使用者は操作感覚を感じ取り、最も繊細な物体でも容易かつ快適に扱うことができます。その頑丈さにより、鈍い衝撃にも破損せずに耐えられます。また、防水性があり、一日中使用できるさまざまなグリップパターンが用意されています。
Ability Handは合計32のグリップパターンを提供し、そのうち19は事前定義されて利用可能です。重量は490グラムと軽量です。5本すべての指が屈伸でき、親指は電気的および手動で回転可能な多関節構造です。
1時間でUSB-Cで充電可能です。多くのサードパーティ製EMGパターン認識システム、EMG直接制御システム、リニアトランスデューサ、フォースセンシティブ抵抗器と互換性があります。
最新の資金情報によると、Psyonicのクラウドファンディング型株式キャンペーンは現在までに100万ドル以上を調達しています。
これらの3Dプリントされた人体部位の例から、実際には3Dプリンティングでヒト臓器を作ることは遠い夢ではないことが明らかです。最近、この分野で最も重要なブレークスルーの一つを取り上げましたが、今後はさらに関連する研究を探り、将来の広大な可能性を理解していきます。
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3Dプリンティングの未来：現実に最も近い姿
3Dプリント臓器の製造におけるハイドロゲルの非効率的な使用にはいくつかの歴史があります。2022年の研究報告では、バイエルン大学のトーマス・シェイベル教授率いるチームが、クモの糸とマウス線維芽細胞を混合し、3Dプリンティングで「バイオインク」またはハイドロゲルを成功裏に作製した事例が挙げられています。
これらのゲルは、プリンターヘッドから押し出し面へ流れる際に、液体から固体へと迅速に変化します。この知見は、クモの糸スキャフォールドと心筋細胞を用いて心筋組織を再現する際に活用されました。
2023年の包括的な報告書は、3Dプリンティングでヒト臓器を再現することの現実性を『近い将来実現する現実』と主張し、さまざまな可能性において有望な未来を示す多数の事例を引用しています。
例えば、2022年にテキサス州サンアントニオで、アートゥーロ・ボニーヤ博士は、外耳が生まれつき欠損していた20歳の女性に、左耳と同じ形状・サイズの右耳を構築して移植しました。このケースは、3Dバイオプリンターで女性自身の軟骨細胞を使用して作製した耳が初めて移植された重要な事例です。
ポーランドの研究者らは、安定した血流を持つ機能的な膵臓のプロトタイプを印刷することにも成功しました。この実験は豚で実施され、2週間観察されました。同時に、人間の肺への適用を目指す取り組みも進行中です。Bionic Pancreasの創設者ミハル・ヴシュオラとUnited Therapeutics Corporationは、4,000kmの毛細血管と2億個の肺胞（微小な空気嚢）を備え、動物モデルで酸素交換が可能なヒト肺スキャフォールドを3Dプリントしました。
Wake Forest再生医療研究所の科学者は、モバイル型皮膚バイオプリンティングシステムを開発しました。彼らは、すぐにでも治癒しない創傷（例えば火傷）を抱える患者のベッドサイドにプリンターを持ち込み、創傷面をスキャン・測定し、皮膚を層ごとに直接創傷表面に3Dプリントできるようになると考えています。
タル・ドヴィア教授はイスラエルのテルアビブ大学で組織工学・再生医療のディレクターを務めており、細胞、心室、主要血管、そして鼓動を備えた「ウサギサイズ」の3Dプリント心臓プロジェクトを先導しています。発明と将来の可能性について語る中で、ドヴィアは次のように述べました：
「現在、ペースメーカー細胞、心房細胞、心室細胞の研究に取り組んでいます。順調です。これが未来だと信じています。」
医療専門家は、人類が3Dプリントで臓器を作成できるようになることで、10万6千人の臓器移植待機リストを助けると考えています。毎日、17人の患者が待機中に亡くなっています。ヒト臓器を3Dプリントできれば、多くの命が救われるでしょう。
スタンフォード大学バイオエンジニアリング学科の助教授マーク・スカイラ―スコットは次のように述べています：
「この分野は過去20年間で非常に急速に進化し、印刷された膀胱から、ポンプに接続可能な血管を持つ高度に細胞化された組織、そして心細胞を統合した心臓部品に似た複雑な3Dモデルへと移行しました。」
現在、3Dプリントによるヒト臓器は治療プロセスと医療システムを革命的に変えることはほぼ確実です。しかし、いくつかの課題を克服しなければなりません。
例えば、より耐ストレス性が求められます。原材料の互換性に関して、生産・製造はより包括的である必要があります。また、エネルギー効率を高め、スケールアップを迅速に行えるようにしなければなりません。
3Dプリンターから放出される揮発性有機化合物は発がん性や毒性があり、臓器障害、喉の刺激、嘔吐など深刻な健康問題を引き起こすため、これらを排除しなければなりません。最後に、世界中の治療が十分でない人口の大部分に利益をもたらすため、コスト効果が高く手頃である必要があります。
