バイオメディカル3Dプリンティングのトレンドとイノベーション
私たちは今、3Dプリンティング革命の只中にいます。かつては主要な研究大学やフォーチュン500企業のみが利用可能だった3Dプリンティング技術は、ますます主流となり、2021年には3Dプリンターの出荷台数が220万台に達しました。この数字は2030年までに2,150万台にまで増加すると予測されており、このラピッドプロトタイピング技術は広く普及することになるでしょう。
航空宇宙から建設まで、あらゆる主要産業が、迅速かつ費用対効果の高い製造のために3Dプリンティング技術を活用しています。3Dプリンティングの力を取り入れているすべての産業の中で、バイオメディカルエンジニアリングは、その応用の可能性が最も高い分野です。本記事では、ヘルスケアおよび医療における3Dプリンティングの台頭について探ります。
すべてはここから始まった — 3Dプリンティングの歴史
1981年、日本の発明家である小玉秀男氏が「ラピッドプロトタイピング装置」の最初の特許を出願した際、このコンセプトは最初から失敗に終わると思われていました。小玉博士は翌年には特許の維持を断念したからです。しかし、このアイデアがさらなるイノベーションの触媒となりました。1984年、チャールズ・ハル氏が光造形法（SLA）の特許を出願しました。これは今日広く使用されている3Dプリンティング技術です。1988年には、この画期的なSLA技術に基づいた初の商用3Dプリンターが登場しました。
その後まもなく、他の主要な3Dプリンティング技術も登場しました。1980年代後半までには、さらに2種類の積層造形装置の特許が出願されました。熱溶解積層法（FDM）と粉末焼結積層造形法（SLS）です。FDMは押出成形と呼ばれる技術で機能し、ノズルから加熱された材料を層状に堆積させて3D製品を構築します。SLSは少し異なる仕組みで、粉末状の材料をビルドプラットフォーム上に広げ、各層を急速に固化（または「焼結」）させることで3Dプリント製品を形成します。続いて、「ジェッティング」（2Dインクジェット印刷技術を改良したもの）や液槽光重合が登場しました。
これらの技術は当初、特許保持者に限定されていました。しかし、特許の期限切れとRepRapオープンソースコンセプトの発明により、新しい企業がこのエキサイティングな分野で名を馳せることができるようになりました。最大のブレイクスルーの多くはバイオメディカル分野で起こっており、その中には移植手術のための初の3Dプリント臓器である膀胱の開発も含まれています。
今日、バイオメディカル用途の3Dプリンティングは活況を呈しています。バイオメディカル3Dプリンティングの世界市場規模は2021年に14億5,000万ドルと推定され、2030年には約62億1,000万ドルに達すると予測されています。バイオメディカル3Dプリンティングの主要なトレンドを明らかにするため、私たちはCAS Content Collection™（公開された科学的知識を人間がキュレーションした世界最大のコレクション）のデータを分析しました。
3Dプリンティングの技術と材料
3Dプリンティングは、粉末床溶融結合、ジェッティング、押出成形、光重合の4つの広範なカテゴリーに分類されます。用途が多様であるため、「万能」な3Dプリンティング技術は存在しません。しかし、FDMのような押出成形ベースの技術は、バイオメディカル3Dプリンティングにおいて最も一般的なタイプであり続けています（図1）。
From plastics and metals to natural substances, a vast array of materials can be utilized in biomedical 3D printing. Synthetic polymers such as polycaprolactone and poly(lactic acid) rank among the most commonly used 3D printing materials (Figure 2), owing to their applications in microfluidics and medical implants . The most widely used inorganic substance is hydroxylapatite, which is used as a dental material and a filler for bone repair. A variety of natural polymers such as alginate and hyaluronic acid are gaining popularity in bioprinting.
バイオメディカル3Dプリンティングの台頭
バイオメディカル分野における3Dプリンティングの学術論文および特許の年間推移を見ると、この分野のイノベーションが急速に拡大していることがわかります。ただし、学術論文数（約15,000件）は特許出願数（約5,700件）を大幅に上回っています（図3）。この傾向は、近年、同技術の商業化が加速していることを反映している可能性があります。
約90カ国がバイオメディカル3Dプリンティングに関する論文を発表しており、この技術への関心が世界的に広がっていることがうかがえます。その中でも米国と中国が先行しており、学術論文と特許の両方で最多の発表数を誇っています（図4および図5）。
バイオメディカル3Dプリンティングの特許権者を分析すると、米国企業である3Mが大部分を占めていることがわかります。その他、韓国、リヒテンシュタイン、フランス、中国なども特許出願が活発です（図6）
バイオメディカル3Dプリンティングの革新的な応用
バイオメディカル3Dプリンティングの主要な応用例についてはすでにいくつか紹介しましたが、その可能性は無限大です。医療用インプラントの開発から医療機器の製造に至るまで、イノベーションは急速に進んでいます。組織・臓器工学は3Dプリンティングの主要な応用分野であり、軟骨、筋肉、皮膚といった複雑な構造体の作製が研究されています。CAS Content Collectionの分析によると、「組織工学（tissue engineering）」、「組織足場（tissue scaffolding）」、「バイオプリンティング（bioprinting）」といった概念が、組織・臓器関連のバイオメディカル3Dプリンティング論文に頻出しており、この分野が研究の重点領域であることが浮き彫りになっています（図7）。
3Dプリンティング技術は、パーソナライズド・メディシン（個別化医療）という困難な目標を実現するために、製薬分野でもいくつかの応用が期待されています。バイオメディカル3Dプリンティングを活用すれば、医薬品の用量、形状、サイズ、放出特性を調整・微調整することが可能になるかもしれません。
バイオメディカル3Dプリンティング技術は、義肢やインプラントの作製においても新たな可能性を切り拓きました。患者の解剖学的構造、色、形状、サイズに合わせてパーソナライズされた義肢を作製することが可能です。柔軟な素材の採用により身体部位の選択肢や機能性が向上したほか、チタン合金などの金属は骨再建に利用されています。CAS Content Collectionの分析によると、整形外科や義肢関連の3Dプリンティング論文では、「人工インプラント（prosthetic implants）」、「人工材料（prosthetic materials）」、「歯科インプラント（dental implants）」といった概念が頻出しています（図8）。組織・臓器分野と比較すると論文数は大幅に少ないものの、依然としてダイナミックで急速に成長している分野です。
バイオメディカル3Dプリンティングにおける課題
バイオメディカル3Dプリンティングでは多くの刺激的な進歩が見られますが、多くの領域で技術はまだ初期段階にあります。例えば、研究者は血管化された心臓パッチのバイオプリンティングに成功していますが、頑健な心臓弁（ましてや完全な臓器）を作製するには、実用化までにはまだ長い道のりがあります。現在、3Dプリンターは、実際の組織が持つ生体力学的な特性や機能を備えた組織を作製する能力を欠いています。バイオインクの進歩や、培地および幹細胞の活用が、今後の手法の最適化に寄与するでしょう。
バイオメディカル3Dプリンティングの未来
現在の研究動向から判断すると、バイオメディカル3Dプリンティングへの継続的な投資とイノベーションが期待できます。この技術はさらに普及し、薬局での3Dプリンター活用という構想も現実味を帯びてきています。バイオメディカル3Dプリンティングは病院にとって多額の財務投資を伴うものですが、適切な計画を立てれば、その恩恵はコストをはるかに上回る可能性があります。技術の発展に伴い、標準化された用語の策定や、FDA（米国食品医薬品局）による新たな規制枠組みの定義が必要であり、これによりバイオメディカル3Dプリンティング製品の安全性と有効性が確保されるでしょう。
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