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子供の成長に合わせて成長する3Dプリント人工心臓弁を開発 ― ハーバード大学

FibraValve

ハーバード大学ウィス生物インスピレーション工学研究所とジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院(SEAS)のケビン・キット・パーカー博士率いるチームは、人体に適合し成長する3Dプリント人工心臓弁「FibraValve」を開発した。(上部画像は子供とともに成長する3Dプリント心臓弁「FibraValve」。出典:ハーバード大学ウィス研究所)

子供向け人工心臓弁は患者の成長のたびに再手術が必要

小児心臓弁膜症は世界中の子供たちに発症する病気で、患者の成長に合わせて何度も弁置換術が必要だ。小児心臓弁置換術は患者の成長に合わせて高リスクの手術を繰り返すため、体に対する負担も大きく、さらに費用も高額になる。こうした課題に対して、研究チームが取り組んだのは、生体適合性の高い樹脂3Dプリント製部品を患者の心臓が取り込むことで、心臓弁手術を不要にするアプローチだった。

心臓弁の置き換え手術を不要にするために成長する人工弁を開発

開発された「FibraValves」は生分解性ポリマー繊維を使用して製造されており、患者の細胞が移植された足場に付着して再構築することが可能。最終的には生涯を通して成長し、子供とともに生き続けることができる自然な弁を構築できる。

このFibraValveはPLCLと呼ばれるポリカプロラクトン(PCL)とポリ乳酸(PLA)の合成材料を、わずか10分で3Dプリントすることができる。患者個人個人で求められる心臓弁の形状や大きさが異なる場合でも、設計変更を行うことで、最適な形状、大きさを実現できる。

人工部品を生体が取り込むための工夫

FibraValveはポリマー繊維の長いフィラメントで構成されており、人間の心臓弁の物理的特性を再現している。細胞が浸潤して足場を生体組織に置き換えることができるように多孔性をそなえているため人体と造形部品の境界面で細胞の方向を定めるための足場として機能し易い。

さらに、チームのカスタムPLCLポリマー素材は、「FibraValve」が体内に入ると生細胞への浸潤を改善するだけでなく、生分解性だ。弾性が高く、足場全体に細胞をより均一に分布させることができるように意図されている。心臓弁を通って逆に漏れる血液の量を減らすために、弁の内側の「小葉」の形状も最適化している。

こうした細部での工夫を通じて人工弁を負担の少ない人体への「取り込み」を図ることを狙っている。

FibraValve はポリマー繊維の長いフィラメントで構成されている
FibraValve はポリマー繊維の長いフィラメントで構成されている(出典:ハーバード大学ウィス研究所)

動物実験の結果と今後の展望

チューリッヒのHoerstrup氏の検証チームは、3Dプリントした「FibraValve」を生きた羊の心臓に埋め込んだところ、すぐに機能し始め、心拍ごとに弁尖が開いたり閉じたりして、調節された血流が可能になったことを報告している。1時間後、研究者らはフィブリンと呼ばれるタンパク質が弁の外側に沈着し、赤血球と白血球が多孔質の足場に浸潤していることを観察したが、副作用や血栓症、その他の問題の兆候は見られなかった。現在、チームは長期の動物実験で「FibraValve」の性能と再生能力を評価しているというが、心臓弁置換に対する3Dプリントによるアプローチが、最終的には血管、他の弁、心臓パッチなど、よりカスタマイズされた埋め込み型医療機器につながる可能性がある。

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