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Optimal Structural Design of 3D Printed Artifitial Bone

Research Project

Project/Area Number 19K09588
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 56020:Orthopedics-related
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

OYAMA SHINTARO  国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 客員研究員 (80768797)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 横田 秀夫  国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (00261206)
山澤 建二  国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 副チームリーダー (50344057)
平田 仁  名古屋大学, 予防早期医療創成センター(医), 教授 (80173243)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords人工骨 / 生体材料 / セラミックス / 3Dプリンター / 整形外科 / インプラント / 3Dプリンタ / 生体親和性 / 3Dプリンター / 構造力学 / リン酸三カルシウム
Outline of Research at the Start

手術で使用される人工骨材料は技術向上により骨置換性や骨導入性能等の材料性能が向上し
たが、依然強度と骨置換性が良好な自家骨を完全に代替する材料ではない。
提案者は人工骨材料の3Dプリント技術を開発しており、動物実験で3Dプリンター人工骨の良好な骨置換性及び安全性を確認している。現在プリンター自体の造形性能や造形物強度は高いが、目標とする自在な内部構造を作成し狙った強度を実現するためのシミュレーションや機構、また病態に応じた生体内での置換と残存構造を制御することで最適な強度を両立できる設計手法は未だ確立したものはない。この技術の洗練と実用化を目指すことが目的である。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we 3D printed cylindrical artificial bones with (1) only bone beam structure, (2) bone beam structure and strut, and (3) bone beam structure and three struts in the middle 1/3 layer as planned. In this process, we improved the printing software, pretreatment of α-TCP particles, and coating technology. 2-week-old rat femurs were implanted, and good osteoinduction was confirmed. In particular, we were able to confirm selective and rapid osteoinduction in the low-density middle 1/3 structure. The experimental results led to hardware and software improvements to improve compression accuracy by design. Design was implemented to mix not only one type of ink at printing, but also multiple types of ink, which can be selected at the time of printing, and specifications for a new 3D printer were developed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体骨に勝る人工骨材料は存在せず、自在造形性と吸収置換性のトレードオフ課題を有していた。また、自在造形は困難であり、手術中に加工に時間を要した。本研究はそれらの課題を解決する意義のある研究である。人工骨を3D印刷する際に、構造バリエーションにより自在造形性と強度、高い吸収置換性を両立できることが実験動物埋植試験で確認できた。またシミュレーションも条件付きながら可能である。今後、複合材料や薬剤による特性を付加した人工骨材料の実現にも大きく前進する事が期待される。欠損組織や病態に合わせた複合造形は未踏の部分であり、研究上も臨床上も非常に重要で未来のある領域と考える。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (2 results) (of which Invited: 1 results) Book (6 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Engineering Support for Researchers and Layered Manufacturing2020

    • Author(s)
      YAMAZAWA Kenji
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society for Precision Engineering

      Volume: 86 Issue: 9 Pages: 666-670

    • DOI

      10.2493/jjspe.86.666

    • NAID

      130007897031

    • ISSN
      0912-0289, 1882-675X
    • Year and Date
      2020-09-05
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Development of new binder jetting process for fabricating bone regeneration implants2020

    • Author(s)
      大山 慎太郎
    • Organizer
      12th Biomedical Interface Workshop
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 理化学研究所におけるデータ利用研究2020

    • Author(s)
      横田 秀夫
    • Organizer
      AI-MAILsキックオフミーティング
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Book] 月刊BIOINDUSTRY 2021年10月号 バイオプリンティング技術の開発動向 3Dプリンタ向け新規人工骨材の開発2021

    • Author(s)
      渡邉政樹,辻村有紀,山澤建二,横田秀夫,大山慎太郎
    • Total Pages
      100
    • Publisher
      シーエムシー出版
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Book] 3Dプリンタ用新規材料開発2021

    • Author(s)
      萩原恒夫
    • Total Pages
      380
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860437107
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Book] 3Dプリンタ用材料開発と 造形物の高精度化2020

    • Author(s)
      渡邉政樹
    • Total Pages
      469
    • Publisher
      株式会社技術情報協会
    • ISBN
      9784861047930
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Book] BIO INDUSTRY2019

    • Author(s)
      横田秀夫・山澤建二・辻村有紀・渡邉政樹・大山慎太郎
    • Total Pages
      90
    • Publisher
      シーエムシー出版
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Book] バイオ3Dプリント関連技術の開発と応用2019

    • Author(s)
      横田秀夫・山澤建二・辻村有紀・渡邉政樹・大山慎太郎
    • Total Pages
      269
    • Publisher
      シーエムシー出版
    • ISBN
      9784781314327
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Book] 工業材料 2019年10月号2019

    • Author(s)
      横田秀夫、山澤建二、辻村有紀、渡邉政樹、大山慎太郎
    • Total Pages
      167
    • Publisher
      日刊工業新聞
    • ISBN
      4910037731098
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Remarks] 3Dプリンターでの人工骨製作

    • URL

      https://jp.ricoh.com/technology/institute/research/tech_bone_fabrication.html

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 人工骨2020

    • Inventor(s)
      横田秀夫, 山澤建二, 辻村有紀, 大山慎太郎, 渡邉政樹
    • Industrial Property Rights Holder
      横田秀夫, 山澤建二, 辻村有紀, 大山慎太郎, 渡邉政樹
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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