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医療業界における活用事例

3Dプリンティングは命を救っています

糖尿病との闘いから幼いエマの「魔法の腕」まで、医療専門家は3Dプリンティングを使って彼らの命を助け、健康状態の改善を手助けしています。

3Dプリンティングを使用して、医療の専門家がどのようにして素早く革新を遂げ、障害を乗り越え、わずかな負担でより多くのことを成し遂げているかをご覧ください。

Objet 3D プリンタはBiorep社が糖尿病治療の探求を加速するのを助けます

社内でラピッドプロトタイプを作製することができることで、医療機器の開発時間を半減し、市場製品化までの時間が加速します

Biorep Technologies社は、主に糖尿病の治療法を見つけるために必要な装置の開発に焦点を当て、医療業界向けのオリジナル機器製造者です。Biorep社は、マイアミの世界的に有名な糖尿病研究所と提携し、可能な限り多くの研究センターが技術にアクセスできるように、適性な価格で膵島分離装置を提供することを目指しています。

エンジニアリングディレクターFelipe Echeverri氏とR&DエンジニアAndres Bernal氏がBiorep社のデザインチームを率いています。1995年の同社の創立以来、プロトタイプ作製でマシンショップを使用していました。Biorepは、サービスビューローと協力して、デザインを評価するために、小型部品の迅速なプロトタイプを作製していました。

ラピッドプロトタイプ作製プロジェクトの量が多くなったことから、社内用3Dプリンタを調査するようになりました。

2007年までに、Biorep社の機器がよりコンパクトで洗練されたものになったため、Echeverri氏とBernal氏は、小型部品のラピッドプロトタイプをより頻繁にアウトソーシングする必要性があることに気づきました。その量は、ラピッドプロトタイプ技術を社内で行うのにビジネス的な意味合いを持つ点にまで達しました。

“このとき、Biorep社は、ラピッドプロトタイプを作製する費用対効果の高い方法を欠いていました”と、Echeverri氏は回想します。“3Dプリントモデルをアウトソーシングした場合、社内で機械加工するコストよりも高くつくことが多く、あまり早くありませんでした。部品をオフィス内で一晩でプリントすることができようになれば、デザインの生産性を本当に加速させることがわかりました。そのため、3Dプリントシステムの評価を始めました。”

Objet Eden250は、その使いやすさ、仕上げ品質のために選ばれました。

Biorep社の社内3Dプリントシステムの基準は、精度、使いやすさ、メンテナンス要件、表面仕上げ、価格でした。“多くの場合、ラピッドプロトタイプを使い、射出成形のための金型を開始する前に、概念を検証し、フィット、フォーム、および機能をチェックします。–そのため精度は非常に重要でした”と、Echeverri氏は述べています。“しかし、社内でできるようになれば、約2倍のプロトタイプを作製できると推定され、小規模なチームであることから–使いやすさと信頼性も重要でした。”

Biorepは、最終的に、高品質のラピッドプロトタイプ作製の世界に完璧なエントリポイントを提供する小型システムである–ObjetのEden250 3Dプリンターに決定しました。このシステムは、Objetの特許取得済みPolyJet™技術の市場をリードする利点を、ほぼすべてのデザインや製造作業の範囲に広げます。Eden250は、ジオメトリの正確な構築のための完全なソリューションを–簡単に、素早く、クリーンに、かつ費用対効果高く提供します。Eden250で作製したモデルは、細かいディテールや優れた表面仕上げをもち、滑らかで耐久性があります。設置場所が小さくてすむこの費用対効果の高いシステムは、完全にクリーンなプロセスを使用し、標準的なオフィス環境にとって理想的です。他の一部の3Dプリントシステムとは異なり、一般的な戸口にフィットし、設置が簡単かつ迅速にできます。

“Eden250は、必要とするものにとってぴったりでした”と、Echeverri氏は述べています。“オフィスにとって優しく、クリーンで、使いやすく、保守が容易であり、優れた表面仕上げの正確な部品が得られます。”

社内で迅速にプロトタイプを作製することができることで、新製品の開発が6ヶ月間短縮できます。

Eden250は、Echeverri氏のチームが良好なデザインの作製と新製品の市場製品化までの時間を加速させる助けとなった、と同氏は報告しています。

これらの利点を両方具現化する最近のプロジェクトの1つは、Biorepの特許出願中のPinch Manifoldです。Bernal氏によれば、従来、流体を評価する医療ラボは、シリコンチューブ内の流体が装置と接触しないようにするために、ピンチ弁と呼ばれる装置を使用していました。ピンチ弁は、文字通り、流体を含むように閉じたチューブをつまみます。しかしながら、ピンチ弁は、過熱して、操作で配管圧力に依存する傾向があります。信頼性に乏しく、非常に高価です。停電が発生した場合、ピンチ弁が突然開き、内部の流体を放出する可能性があります。

Biorepの主要デバイスでは、32個の非接触の信頼できるピンチ弁が必要でした。既製のピンチ弁は実施に失敗したため、Biorepチームが独自にデザインすることを決めました。

その結果、Biorep社のPinch Manifoldでは、一連のカムとモータを使って、従来のピンチ弁の必要な非接触機能を備えた複数のチャネルにおける流体をコントロールしています。“弊社のPinch Manifoldは、弁部品と全く接触しないように流体を移動させる新しい手段を提供しています”と、Bernal氏は言います。“流体は、使い捨てできるシリコンチューブとのみ接触します。無菌ラボ環境では、取り扱われている–血液や細菌–といった流体からの機器の汚染を避けることが非常に重要です。そのため、非接触弁は非常に重要です。”

また、Bernal氏は次のように述べています。“このシステムは、必要なだけ多くのチャンネルまで拡張できるため、通常は1つのチャンネルのみ扱う従来のピンチ弁システムよりもはるかに効率的です。電磁的というよりは機械的であるため、フェイルセーフです。停電が発生しても、その位置を保持します。”

Bernal氏は、デザインに関して実験を始め、Eden250ですべてプロトタイプを作製しました。“大きな何ものかに入り込んだことにすぐに気づきました。”と、Echeverri氏は述べています。“Objetプロトタイプを使い、経営陣にプロジェクトを提示しましたが、コンセプトを販売するのに本当に役立ちました。すぐに継続する承認を得ました。”

“社内で迅速にプロトタイプを作製することができることは、このプロジェクトの成功にとって絶対不可欠でした”と、Bernal氏は言います。“第一に、機械加工の制限に関係なく部品をデザインすることができました。これにより、新しいアイデアがあるときに–実際に考えを解放し、即座にデザイン、プリント、テストすることができるようになりました。第二に、非常に低コストで迅速に多くのプロトタイプを作製できたため、多くのテストをしました。これは、後に見つかればプロジェクトに悪影響を及ぼす可能性があるという点で、一部の機能上の問題を非常に早い段階で見つけて修復する助けとなりました。”

Pinch Manifoldには、モータを除いて10種類程度の部品があり、すべてEden250で個別にプロトタイプを作製し、その後組み立てられました。一部の初期のコンセプトは、その幾何学的形状のために機械加工できませんでした。“5つの完全プロトタイプすべてと、同時に数十個の個々の部品を作製しました”と、Echeverri氏は回想します。“部品を一晩でプリントするよう設定すれば、朝に戻ってくれば、新しいコンセプトをすぐにテストすることができます。

Eden250で、プロジェクトをおそらく6ヶ月短縮することができました。そのため、Pinch Manifoldをさらにすばやく市場に出すことができました。”

3Dプロトタイプは、革新的な新しいPetriデザインに対して会社がNIH助成金を得る助けとなりました。

Eden250により可能となった別の最近のBiorepプロジェクトは、Silicone Membrane Petri Dishで​​す。–Biorep社ではこれを“Oxygen Sandwichとよんでいます。” 標準プラスチック製Petriは上からしか酸素を入れることができません。糖尿病研究所(DRI)の科学者は、皿に入れた細胞がよりよく呼吸できるようになるため、酸素が上部と下部の両方から入ると、より生育しやすくなるという仮説を立てました。

“シリコンは酸素透過性であるため、Silicone Membrane Petri Dishを作製してみることを決めました”と、Echeverri氏は述べています。“DRIの科学者は、酸素透過性を高める独自のシリコンブレンドを開発しました。–このデザインは、上下からの酸素で細胞を包み込むため、Oxygen Sandwichと呼ばれます。”

DRIの科学者が膜を作製しました。Biorepの仕事は、標準的なPetriディッシュの形状と機能で保持する手段をデザインすることでした。

Echeverri氏のチームはEden250でに初期デザインのプロトタイプを作製し、その後、製造可能性と適切なアセンブリを確認するために、多くの異なるアプローチを試しました。“膜の最終的なデザインは、わずか300ミクロンの厚さでした。–損傷することなくラボ内で扱うのに十分強く、たるみを防止するのに十分ピンと張ったものです。この結論に達するまで、さまざまな構成で多数のプロトタイプを作製しました”と、Echeverri氏は述べています。

同チームはまた、デザインを大量生産することができることを確認するためにプロトタイプを使用しました。この作業中に作製したプロトタイプは、製品の継続的な開発を支援するために、国立衛生研究所(NIH)の助成金の申請するために使用されました。“Eden250で作製した現実的プロトタイプは、間違いなく、コンセプトを実証し、NIHの助成金を得ることができました”と、Echeverri氏は述べています。“CADの図面は、まったく新しいタイプのデザインを提示するにはあまり効果的ではありません。”

Biorep社のSilicone Membrane Petri Dishを製図板から、多くのラボでフィールドテストを行う現在の状況に移行するのに半年しかかかりませんでした。“半年間は、医療機器をフィールドテストにかけるには非常に短い時間です”と、Echeverri氏は述べています。“社内でラピッドプロトタイプを作製できるようになったことで、開発時間が半分に削減されました。”

初期のフィールドテストの結果は有望です。DRIの科学者は、細胞が健康であり、より多くインスリンを産生すると報告しています。これは、糖尿病の研究を進める上で重要です。Biorepはまた、幹細胞のように、糖尿病研究を超えた分野での製品の商業的可能性についても非常に楽観的です。

3Dプリンタにより、機械加工限界からBiorepが解放され、設計者が枠を超えて考えることができるようになりました。

BiorepのR&DエンジニアBernal氏は、社内でEden250を所有することで、Biorepのデザインの全体的品質を向上させることができたというEcheverri氏の評価に諸手を挙げて賛同しています。“社内でプロトタイプを即座に作製できることで、デザインの面で、実際に枠にとらわれないで考えることが多くなりました”と、Bernal氏言います。“3Dプリントにより、製造のためにデザインを考慮するプロセスをスキップして、革新的なコンセプトを即座にテストできるようになりました。Objetプリンタを使うことで、デザインの意図に優先度付けができ、概念実証のためのアセンブリ統合を活用できます。”

Echeverri氏は、社内で3Dプリント機能を持つことで、Biorepの製品の提供と収益の多様化に役立っていると言います。“現在、広範囲のプロジェクトのデザインとプロトタイプ作製ができるようになりました”と、同氏は語ります。“例えば、まさに今、眼科研究用途から手術器具の概念に至るまでのプロジェクトに取り組んでいます。過去には、これらに取り組む時間もリソースもありませんでした。

現在、並行して別の設計コンセプトを作製できるため、弊社の製品開発サイクルは加速しました。監視することなく、一晩で部品をプリントできる能力は非常に有用であり、従来の機械加工に関連する異なるセットアップのコストと遅延を回避することができます。”

実際に、BiorepはEden250に大いに価値を認めているため、現在、さまざまな素材を使って機能部品をプリントできる第二の3Dプリンタを追加することを検討しています。

Echeverri氏は、BiorepがObjetのプリンタから本当に十分な金銭的価値を得ており、そのコストが正当化できる一方、実際の成果として、プロトタイプを作製して完成させたデバイスが人々の生活を変えることができるという知見を得たと指摘します。“そのため、これを行うのです”と、Echeverri氏は述べています。“つまり、あらゆる治療法を見つけ出すことです。”

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