脳神経外科医は、患者の脳について把握している情報に基づくモデルを使い、手術室に入る前に手術の練習をすることがよくあります。
しかし、2人の技術者によると、現在のモデルには、非現実的な触感があることや、血管の再現性が十分でないことなどの限界があります。
ここでは、シリコンを用いて、より柔らかい感触と高い正確さを備えたレプリカを作る新しい3Dプリント技術について説明します。
シリコーンを用いた新しい3Dプリント技術により、脳内の血管を正確に再現したモデルを作成でき、脳神経外科医は手術前により現実に近いシミュレーションで訓練できるようになると、当社の最近発表された研究で報告されています。
多くの脳神経外科医は、手術室に入る前に、各手術の練習を行っています。モデルを用いて、患者の脳について把握している情報に基づく練習を行っています。しかし、脳神経外科医が訓練に使用する現在のモデルは、実際の血管を十分に再現できていません。触覚フィードバックが非現実的であり、小さいものの重要な構造的詳細が欠けており、各手技の進め方を決める解剖学的構成要素全体が除外されていることも少なくありません。手術前のシミュレーションで患者の脳を現実的かつ個別に再現したレプリカを用いれば、実際の手術における誤りを減らせる可能性があります。
一方、3Dプリントであれば、脳神経外科医が必要とする柔らかい感触と構造的な正確さを備えたレプリカを作れる可能性があります。
3Dプリントは一般に、自立する構造が造形される過程で、溶けたプラスチックを一層ずつ積み重ねていく工程と考えられています。しかし、多くの柔らかい素材は、3Dプリンターで一般的に使われるプラスチックフィラメントのように溶けて再び固まることはありません。シリコーンのような柔らかい素材では、やり直しはできず、液体の状態で印刷し、その後不可逆的に固化させる必要があります。
3Dで液体を成形する
液体から、水たまりや崩れた塊にならずに、複雑な3D形状を作るにはどうすればよいのでしょうか？
研究者たちは、この目的のために、幅広く応用できる手法として埋め込み型3Dプリントを開発しました。この技術では、「インク」を、ノズルの周囲を流れるように設計された第2の支持材の浴の中に吐出し、ノズルが移動した直後にインクをその位置に保持します。これにより、印刷された構造が固化する時まで、液体を三次元空間内に閉じ込めて保持することで、液体から複雑な形状を作ることができます。埋め込み型3Dプリントは、ハイドロゲル、マイクロ粒子、さらには生きた細胞など、さまざまな柔らかい素材の構造化に有効であることが示されています。
しかし、シリコーンの印刷は依然として困難でした。液体のシリコーンは油であるのに対し、ほとんどの支持材は水性です。油と水の間には大きな界面張力があり、これは油滴が水中で円形になる理由を生む駆動力です。この力により、支持媒体中であっても、3Dプリントされたシリコーン構造は変形してしまいます。
さらに悪いことに、この界面力により、細い直径のシリコーン構造は、印刷中に液滴へと分断されてしまいます。支持材を使わずに印刷できるシリコーン材料を作る研究は多く行われてきましたが、こうした大幅な改変は、シリコーンの柔らかさや伸縮性など、ユーザーが重視する特性も変えてしまいます。支持材なしで印刷できるようにするものの、
AMULITを用いたシリコーンの3Dプリント
境界領域で研究する者として、ソフトマター物理学、機械工学、そして材料科学の観点から、界面張力の問題に取り組むことにし、その解決策としてシリコーンオイルから作られた支持材料を開発しました。
私たちは、ほとんどのシリコーンインクが、支持材料と化学的に類似しているため界面張力を大幅に低減できる一方、3Dプリントのために組み合わせた際には分離したままでいられるほど十分に異なるだろうと考えました。多くの候補となる支持材料を作製しましたが、最善の方法は、シリコーンオイルと水の高密度エマルションを作ることだと分かりました。これは、シリコーンオイルの連続相の中に水の微小液滴が詰まった、透き通ったマヨネーズのようなものと考えることができます。この手法を超低界面張力での積層造形、すなわちAMULITと名付けました。
AMULITの支持媒体を用いることで、市販のシリコーンを高解像度で印刷でき、直径わずか8マイクロメートル（約0.0003インチ）の微細な構造を作成できました。印刷された構造は、従来の成形品と同様に伸縮性と耐久性があります。
これらの能力により、3Dスキャンに基づく患者の脳血管の正確なモデルや、平均的な人体構造に基づく機能する心臓弁モデルを3Dプリントできるようになりました。
医療における3Dシリコーンプリント
シリコーンは無数の製品にとって重要な構成要素であり、調理器具やおもちゃといった日用消費財から、電子機器、航空宇宙、医療産業の先端技術まで幅広く使われています。
世界経済フォーラムは医療の現状をどのように改善しているのでしょうか？
健康・医療センターは、アクセス、公平性、レジリエンス、備えを含め、世界中の保健システムが直面する課題を理解できるよう、リーダーたちをつなぎます。
信頼に基づく対話と官民協力を通じて、同センターは、パートナーが共通の優先事項に沿って連携し、健康アウトカムを改善するための集団行動を推進できるようにしています。
シリコーン製品は一般に、液状のシリコーンを金型に流し込むか注入し、固化後に成形品を取り出して製造されます。高精度の金型の製造には費用と手間がかかるため、メーカーは事前に決められたわずかなサイズ、形状、デザインの製品に限られてきました。精密なシリコーン構造を損傷させずに金型から外すことも追加の障壁であり、非常に複雑な構造を成形する際には製造上の欠陥が増えます。
これらの課題を克服できれば、医療産業において高度なシリコーン系技術の開発が可能になり、個別化されたインプラントや、患者固有の生理学的構造を模倣したものによって、医療を変革できる可能性があります。
