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付加製造は医療診断技術を向上させることができるか？
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付加製造は、さまざまな産業で多様な用途があり、航空エンジンの燃料ノズルの作成からガスタービンのバーナーヘッドの修理まで幅広く活用されています。その耐久性、軽量性、幾何学的最適化能力、修理時間の短縮など、他の競争上の利点でも知られています。
医療分野でも、付加製造は重要な存在感を示しています。特に、付加製造（3Dプリンティング）の歴史は、何十年にもわたり医療科学と密接に結びついてきました。
しかし、医療診断技術における付加製造の可能性を掘り下げる前に、まず付加製造の概要を簡単に見てみましょう。その定義を探り、医療科学の進化における重要な役割を理解します。
付加製造と医療科学における歴史
ASTM Society（旧称 American Society for Testing and Materials）は、付加製造を「3Dモデルデータからオブジェクトを作成するために材料を結合するプロセスであり、通常は層ごとに積み重ねるもので、減材製造手法とは対照的です」と定義しています。
医療科学の分野は、1990年代後半から2000年代初頭にかけて3Dプリンティングを活用してきました。歯科インプラントやカスタム義肢の製造に役立ちました。これらは患者ごとのカスタマイズが必要で、大量生産が困難な製品です。3Dプリンティングはその要件を満たしました。
3Dプリンティングは整形外科の分野でも、整形外科医が患者の生理的特徴に正確に合致し模倣した構造を作成するのを支援しました。以前は、患者は「ワンサイズフィットオール」のインプラントに満足せざるを得ませんでした。インプラントや義肢から次のステップとして、3Dプリンティングは有機模倣デバイスへと向かいました。
2000年代初頭、ボストン小児病院の研究チームは「スキャフォールディング」という手法を活用し、コラーゲンと合成ポリマーから代替膀胱を手作業で構築しました。しかし、この方法は時間がかかり、再現性が低く、臓器構築のコストも高かったです。最終的に、付加製造が登場し、この問題の解決に貢献しました。
ウェイクフォレスト再生医療研究所の研究者は、臨床試験用に臓器や組織を安定的に印刷できる機械を開発しました。この進展に続き、ブラジルの研究者グループはオルガノイドのバイオプリントに成功し、これらのオルガノイドはタンパク質合成、ビタミン貯蔵、胆汁分泌など、人間の肝臓と同等の機能を果たしました。しかし、これらのミニチュア肝臓は、実際の肝臓の移植代替としてはまだ実用的ではありませんでした。
この時点で、付加製造（3Dプリンティング）は応用医療科学の分野で価値を見出し続けていましたが、その応用は主に臨床試験やラボベースのテストに限定されていました。
当然ながら、関わる研究者や医師は、世界的に大きな市場規模を持つ医療診断技術の改善に付加製造を活用しようと考えました。
ベストな3Dバイオプリンティング株のリストはこちらをご覧ください。
医療診断技術のグローバル市場
医療診断技術市場は拡大傾向にあります。この成長は、Deloitteが実施した最近の調査と研究によって裏付けられ、2018年から2022年にかけて米国の医療消費者がさまざまな目的で診断技術を使用する人数が大幅に増加したことが明らかになっています。
具体的には、ウェアラブル、アプリ、デジタルアシスタント、スマートデバイスを使用してフィットネスや健康改善目標を測定する消費者の割合は、2018年の42％から2022年には49％に上昇しました。また、これらの技術を健康問題のモニタリングに利用する人の割合も、2018年の27％から2022年には34％に増加しました。
採用率が急増しただけでなく、医療診断技術に対する消費者の満足度も大幅に向上しています。これらのデバイスを使用している人の78％が行動に対するポジティブな影響を認識しました。全体として、85％の消費者が健康や健康リスクを評価するための診断テストの使用に安心感を示しています。
顧客満足度の向上は、投資家や業界の医療診断技術への関心を高めました。2021年上半期には、投資家が約150億米ドルを372件のデジタルヘルスケア取引に投入しました。これは10年前の取引件数が100件未満、投資額が11億米ドルにとどまっていたのと比べて大幅な増加です。
医療診断技術への業界の関心が高まる中、付加製造の応用サブセグメントでも顕著な進展が見られました。その好例が、マギル大学の研究者による現場での3Dプリントテストの開発です。
Lab-on-a-Chip：医療診断技術における3Dプリントの画期的技術
マギル大学の研究者は、画期的となり得る「ラボ・オン・チップ」診断技術を発明しました。このチップは30分以内に3Dプリントで作製可能です。
マギル大学生体医工学部門の主任で本研究の主任著者であるデイビッド・ジュンカー教授は、この技術が「個人、研究者、産業がよりコスト効果的で使いやすい方法で新たな可能性と応用を探求するのに役立つ」と述べました。
この応用形態のイノベーションは、医療従事者に「ケアの現場で特定のニーズに合わせたソリューションを即座に作成できる」能力と範囲を提供することで、診断テストの規模拡大と迅速化に貢献します。
Lab-on-a-Chipはどのように機能するか？
研究者は、ミニチュア実験室として機能する可能性を持つ毛細管チップを開発しました。コンピュータのマイクロプロセッサとは異なり、これらの毛細管チップは使い捨てで、外部電源を必要としません。このプロセスは、紙タオルが台上の液体を吸収するのと同様に、毛細管現象を利用したシンプルな紙ストリップによって促進されます。
この方法では、従来の診断と同様に周辺機器は不要です。この方法で使用される毛細管チップは3Dプリント可能で、COVID-19抗体定量を含むさまざまなテストに利用できます。
コスト効率の高い疾患検出手法のための3Dプリンティング
MITの研究者は、安価で高精度な疾患検出ツールを作成するための別の付加製造（3Dプリンティング）主導のソリューションを考案しました。今回の研究者は、3Dプリンティングを活用して自己加熱型マイクロ流体デバイスを製造しています。
マイクロ流体技術とは、流体を操作し化学反応を促進できるミニチュア装置の使用を指します。この技術は、血液や体液の微小サンプルで疾患を検出できるため、潜在的なゲームチェンジャーと見なされています。
マイクロ流体技術はすでに診断分野で使用されていますが、複雑で高コストな製造プロセスが必要であり、スケールアップが困難です。
MITチームのソリューションは、マルチマテリアル3Dプリンティングを利用して自己加熱型マイクロ流体デバイスを作成します。これらのデバイスには内蔵の加熱要素が備わっています。
このプロセスは単一かつ低コストの製造工程を必要とします。また、低コストの製造プロセスは約2米ドル相当の材料で即座に使用可能なマイクロ流体を作成でき、非常にカスタマイズ性が高いです。
この分野での研究が継続される中、多くの企業が付加製造をラボの範囲を超えて大規模利用可能にすることを決定しました。ここでは、そうした企業とそのソリューションをいくつか紹介します。
1. Allevi
Alleviは、バイオプリンティングソリューション（3D組織工学、オルガン・オン・チップ研究、薬剤試験、バイオマテリアル開発、再生医療）で知られる企業で、世界中の数百のラボにサービスを提供していると主張しています。これに加えて、医療と診断の分野を強化する包括的な付加製造製品も提供しています。その製品ラインナップには、バイオプリンティングソフトウェア、バイオインク、添加剤、細胞、試薬、消耗品が含まれます。
特に、Alleviは最先端のバイオプリンターを製造しています。Allevi 3バイオプリンターは、組織工学、材料科学、再生医療、疾患モデリング、3D培養、マイクロ生理学システム、薬剤送達など多様な研究分野向けに特別に設計・最適化されています。さらに、同社はセルフリー・スキャフォールド、オルガン・オン・チップ、血管印刷、マルチマテリアル印刷など、さまざまなプロジェクト向けのカスタムバイオプリントサービスも提供しています。
DDD 価格チャート
Alleviは現在、3D Systems Corporation (DDD ) （NYSE:DDD）の一部です。2022年、同社は年間売上高5億3803万1千ドルを報告し、2021年の6億1563万9千ドルから12.6％減少しました。また、2022年の純損失は1億2271万1千ドルで、1株当たり希薄化損失は0.96ドル、非GAAP希薄化損失は0.23ドルとなっています。
2. EOS
EOSは、医療技術向けに幅広い3Dプリンティングソリューションを提供し、カスタマイズと最適化の両方の生産パラダイムに対応しています。同社の整形外科用および義肢用の産業用3Dプリンティングソリューションは、製造業者が厳格な品質・認証基準を遵守しつつ、個別の設計自由度を保ち、コスト管理を行うことを可能にします。
歯科技術の分野では、EOSの3Dプリンティングソリューションがラボやサービスプロバイダーが一貫して高品質な製品を提供するのを支援します。さらに、EOSの3Dプリンティング技術は多様な表面構造の作成に長けており、骨統合（オッセオインテグレーション）など、活組織と骨インプラント表面の統合を促進するプロセスに特に有益です。また、EOSの3Dプリンティング技術は、実験装置や診断イメージング装置の部品最適化にも重要な役割を果たします。
ツール不要の生産により組立コスト削減を支援し、サービスプロバイダーに利益をもたらします。これらのソリューションは柔軟な設計と機能統合特性を備えています。さらに、EOSの3Dプリンティング技術は開発サイクルを加速し、マーケット投入までの期間を短縮します。
3. GE Additive
GE Additiveは、製品ベースのソリューションと3Dプリンティング機械を通じて、医療科学分野への付加製造の適用を支援しています。そのEBMプロセスは、寛骨臼カップに対して従来のコーティングを3次元格子構造に置き換え、初期固定を改善し、より速い融合と骨の浸潤を可能にします。
これらの格子構造は臨床的に最適化された孔径650ミクロンで設計されています。GEはまた、整形外科産業向けに高球形性、低孔隙率、最小衛星含有量、業界最高水準の流動性と充填密度を備えた認証済みの高性能粉末も製造しています。
GEはさらに付加製造機械も供給しています。Arcam EBM Q10 plusは整形外科インプラントの大量生産に最適化されています。Concept Laser M2 Series 5は一貫性を保ち、スケールで繰り返し可能な高品質部品の製造を支援します。Concept Laser Mlabシリーズは、高表面品質部品の迅速かつ効率的な生産に適しています。
GE 価格チャート
2023年第3四半期、GEは173億米ドルの売上高を報告しました。
医療診断における付加製造の未来
世界中のトップ大学の研究者が付加製造のイノベーションに取り組んでいるのはすでに見られます。これらのイノベーションは、医療診断をよりアクセスしやすく、周辺機器や消耗品への依存を減らし、迅速で導入が容易にすることは間違いありません。上記で紹介した企業に加えて、他にも多くの革新的企業がヘルステック・メドテック分野で3Dプリンティングソリューションのスケールアップに取り組んでいます。
例えば、ベルギー拠点の3Dプリンティング企業Materialiseは、研究者や外科医向けの3Dプリンティングソフトウェア、個別化された手術ガイド、その他のポイントオブケアツールを提供しています。また、肩部、寛骨臼股関節、頭蓋顔面領域のインプラントなど、カスタマイズ可能な整形外科ソリューションも販売しています。
ミネソタ州拠点のStratasysは、手術計画モデル、医療従事者のトレーニング・教育、医療機器のプロトタイピング、歯科インプラント向けの3Dプリンティング機能を提供しています。
研究者、学術機関、医師、外科医、製造企業が協調的に協力することで、付加製造（3Dプリンティング）をさらに活用し、医療診断の利益につなげることができるでしょう。
