伴侶動物用カスタムメイド骨プレートの開発

井 上 貴 之
石 坂 春 彦中 島 義 雄1)
2)
3)
佐々井浩志 中 野 貴 由

人間以上に多様な骨格や骨形状と合致させるのは難しく，術.

は じめに中にプレートに曲げ加工を加えて使用するか，または治療を断念する場合もしばしばであり，断脚に至るケースさえ起こ

高齢化社会の到来や核家族化が進み，家族単位における構る．仮に治療可能であった場合でさえも，スクリュー孔の位成人数が減少している現在では，QOL(Quality of Life)向上置と骨片の位置関係が一致せず，十分な整復と骨片固定がでやその充実を求めるため，急速に伴侶動物の存在意義が高まきず治癒効果が得られないことも多い．これは，術中の獣医りつつある．このような社会状況において，伴侶動物に対師，治療の必要な伴侶動物にとっては大きなストレス要因でし，家族同様またはそれ以上の特別な感情を抱くのはごく自あり，また伴侶動物の家族にとっては残念な結果となる．

然な流れである．実際に，現在犬と猫だけで国内で約 2000

そこで，本稿では既存プレートではこれまで実現できてい万頭が飼育されており(2014年度，一般社団法人ペットフーない伴侶動物に対する質の高い骨折治療を目指して，人間よド協会調査)，15歳以下の人間の子供人口を上回っており，り多種多様な骨形態に適合するカスタムメイドプレートを新その数はさらに増加の一途をたどるとともに，それ以外のウ規に開発したので報告する．

サギ，鳥，ハムスターなどの齧歯類の飼育数の伸びも著しい．
こうした伴侶動物も人間社会で暮らす中で，飼い主の不注

.

要求事

項

意による落下等による不慮の事故，交通事故，さらにはペッ
トフードの改良による高齢化が骨折をしばしば引き起こし，健常な骨は軟部組織を支持し，さらに保護するための骨組その治療が必要となる．治療にも人間と同程度の質が求めらみとして働き，四肢の機械的運動を可能としている．しかれる時代となり，骨折治療には人間と同様に，骨折部を整復し，骨折の発生により骨の連続性が失われ，異常部位での可し骨プレートとスクリューで骨片を固定する内固定術が行わ動により力学的支持機能を喪失し，痛みを生じる．そこで，れている(1)．こうした治療に使用されるプレートは，既定の内固定材であるプレートの機能は，外科的手術により早期にストレート形状に規則的なスクリュー孔を有するプレートが骨の力学的支持機能を回復させることにある．結果として，一般的である．しかし，獣医師が扱う動物のバリエーション

伴侶動物は痛みを伴わない可動性を取り戻し，関節機能障害は極めて多様性に富み，体重換算では 1000 倍も異なる．例や四肢切断などの機能障害を避けることができる．

えば犬を例に挙げると，犬種，年齢，疾患状態によりその体現状の伴侶動物の骨折治療では，獣医師は経験と勘により格や骨形状の違いは人間を大きく上回る．既製品プレートで術中に正常骨をイメージして骨片の整復を行いながらプレーは長さやスクリュー孔のバリエーションは極めて限定され，トを選択し，場合によってはプレートに術中加工を施して加療を行っている．こうした治療方法では，正常な骨アライメ

帝人ナカシマメディカル株式会社1)主任研究員 2)取締役
3)代表取締役会長
北須磨動物病院病院長
大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻教授
Development of Customized Bone Plate for Companion
Animal; Takayuki Inoue, Haruhiko Ishizaka, Yoshio
Nakashima, Hiroshi Sasai and Takayoshi Nakano(TEIJIN NAKASHIMA MEDICAL Co., Ltd. Kitasuma
Animal Hospital. Division of Materials and Manufacturing
Science, Graduate School of Engineering, Osaka University)
2015年10月29日受理[doi:10.2320/materia.55.64]

ント(骨片の配列や並び)を正確に再現するのは難しい．また，プレートによる過度な安定的固定は骨折治療過程では良好に機能するが，治癒後は弾性率の高いプレートに優先的に荷重が分担され，骨量が減少する現象(応力遮蔽， Stressshielding)を生じさせる．そこで，伴侶動物の治療で理想的なプレートとは，以下の要求事項をすべて満足する必要がある．
種(例えば犬ではチワワやトイプードルなど)や年齢によ新技術・新製品

る体格や骨形状へのプレート形状適合性

様々な骨折位置(関節部，骨幹部，椎体部)や骨折形態(単純骨折や複雑骨折)の整復に対応できるスクリュー孔位置

骨折による支持機能喪失を補い，かつ骨折治癒を阻害しない適度なプレート強度と剛性(2)これらの要求事項は，単純幾何形状の既存プレートによる対応は困難であり，個別症例ごとのカスタムメイド設計・製
造による骨折治療用プレートが解法であると考えられる．
 は主に形状的要素であるが，プレートの成否に最も大き～ に関しては強く金属材料学的要素を加味する．
く関わる

.

カスタムメイド設計・製造プロセス
図1

カスタムメイド骨プレート設計概要．

伴侶動物の体格や骨形状を個別に把握するには，人間と同様に医用画像による間接計測法が有効である．近年，動物用
mCT (最大分解能 10 mm )が開発されており，小型犬やウサギ等の小動物の骨格に対しても，十分な解像度で画像取得できるようになっている．そこで，取得した mCT 画像群を再構成して，コンピュータ上での仮想空間にて対象骨の三次元骨 CAD ( Computer Aided Design ) モ デ ル を 構 築 す る ． 次に，仮想空間で三次元化された骨片モデルに対し正常骨アライメントを目標として整復し，骨片を固定できるようにプレートを半自動的に設計可能なシステムの新規構築も行った．
この際，例えば四肢であれば患側と健側は対象形状であると想定し，健側の骨アライメントとなるように患側の骨片を配置して整復する．また，図に示すようにスクリュー孔はス
図2

クリューで骨片を固定できる位置に配置し，骨表面に沿うよ三次元積層造形による実体化．

うにプレート外形および断面形状を決定する．この際に，プレート剛性が過度に高くならないように，体格に応じて骨折架橋部のプレート厚みを最適化する．

.

カスタムメイドプレートの金属材料特性

次に製造方法であるが，従来法では設計 CAD データに基づき，CAM(Computer Aided Machining)処理をして工具経

一般的に骨折治癒には数カ月を要するため，その間体内に路を生成し，金属板材料から機械加工による除去加工を行っ内固定材を安全に留置させるには材料自体の生体親和性が求ている．また，シンプルな形状のプレートに対しては，鍛造められる．加えて，骨折治癒中に伴侶動物の安静を保つのはや抜き加工による大量生産が行われる．これらの製造方法は困難であり，関節可動と日常的活動に起因する変動荷重に対コストを低減でき大量生産が可能であるという利点があるもして正常骨のような支持機能をプレートで代替させるには，のの，カスタムメイド製品のような一品生産では個別に材料学的要素である金属疲労特性などの機械的性質も重要と

CAM 処理や金型等が必要となり逆にコスト高となる．そこなる．

で，近年注目されている AM(Additive Manufacturing)によ

本開発では，初期粉末に ASTM F2924 規格の粉末を採用る三次元金属積層造形を採用した．金属材料は，生体親和性することで，造形体組成は ASTM F1108 の材料規格に適合が高く人間での使用実績のある Ti 6Al 4V 合金を採用し，しており，オステオインテグレーションを導くための生体親AM 技術により仮想空間の設計 CAD データから三次元金属和性は十分に確保されている．さらに，粉末を複数回使用し積層造形法によりカスタムメイドプレート形状を創製して実ても上記規格に適合するように，使用粉末の酸素などの微量体化を可能とした(図)．金属積層造形法としては，レーザ元素量を管理，制御しており，製品の品質管理に加え，生産ー焼結造形法(SLS : Selective Laser Sintering)と電子ビーム性やコスト低減を図っている．

積 層 造 形 法 ( EBM : Electron beam melting ) が 主 流 で あ る

EBM による金属積層造形体はラス状の緻密な a ＋ b 相粒が，本開発では納期短縮化のため造形が速い EBM 法を採用から構成され，静的引張強度は ASTM F1108 で規定されるした．EBM 法による造形体は，形状精度に加えて表面性状860 MPa，伸び 8以上を有しており，鋳造材と鍛造材の中( Ra ＜ 30 mm )も内固定材として十分であり，造形後はブラ間的な機械的性質が得られる．疲労強度は，応力比 0.1で試スト処理による仕上げ(Ra＜5 mm)のみで製品化できる短納験した結果，図に示すように 550 MPa 以上であり，生体期製造法である．

用 Ti 6Al4V 合金鋳造材(3)を大幅に上回る機械的特性を有

ま て り あ 第55巻 第 2 号(2016)
Materia Japan



図3

Ti6Al4V 合金造形体の SN 曲線．

図4

カスタムメイドプレートによる治療例．

していることを確認した．これらの疲労特性データと，適用動物の体重を考慮した FEM ( Finite Element Analysis )により，治癒期間に体内で安定的に支持機能を代替するためのプ.

今 後 の 展 望

レート強度を確保するための幅や厚みといった限界代表寸法が決定できる．造形体自体が優れた疲労強度を有すること

本開発のカスタムメイドプレートでは，獣医師はプレート

は，限界代表寸法以上の寸法を採用して骨折架橋部の剛性制形状に沿うように骨片を整復するだけで正常骨アライメント

 を考慮する上で御にも繋がるため，特に前記要求事項 2. が容易に再現できるため，従来のプレートより簡素な手術で重要である．

かつ精度を上げた骨修復を実現する．加えて，従来技術では治療困難であった骨折症例の治療も可能となることから，獣

.

適用例

医師，伴侶動物およびその家族の喜びに繋がる「デライト」技術ともいえる．

カスタムメイドプレートの適用例を図に示す．犬の前肢さらに，元来骨構造は異方性を有しており，形状最適化にの骨幹部骨折に対して本開発のプレートを適用した．本症例加えてプレート自体に同様の異方性を持たせることで，骨折は，高齢による骨密度低下が骨折をもたらしたと想定され，部の支持機能強化と骨萎縮抑制を同時に実現できると考えてスクリュー孔配置として骨密度の高い領域を採用した．プレいる．我々のグループでは，材料異方性を制御する手法としート適用後の結果は極めて良好であり，従来の規定形状プレて既に海外も含め複数の特許出願(6 項参照)を行っており，ートでは治療困難であった症例への適用を実現した．

こうした技術をカスタムメイドプレートにも活用予定である．これによって，従来は骨折治癒後に抜釘が必要な症例で.

特許および商標も，抜釘を要しないプレートが実現できると考えられ，伴侶動物およびその家族のさらなるデライト，さらにはヒト医療本製品開発に関わる特許ならびに商標の登録は以下の通りへの拡張にも繋がるものと考えている．

である．
特 許 第 4802277 号 ( 2011 年 8 月 12 日 登 録 ) ( 国 際 出 願 番 号

本開発の一部は，総合科学技術・イノベーション会議によPCT / JP2010 / 067146, US / EP / China / Singapore )「衝撃吸る内閣府主導の SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)

収構造体およびその製造方法」，特開 2013094390 「構造体「革新的設計生産技術(佐々木直哉 PD)」(管理法人NEDO)の製造方法および構造体」，特願 2014067298 「単結晶の製によって実施されたものである．

造方法」，登録第 5777527号(2015年 7 月 10日文字商標登録)「デライトアセスメント」，登録第5801314号(2015年10月23

文献日ロゴ商標登録)「デライトアセスメント」( 1 ) T. D. Braden and W. O. Brinker: J. Am. Vet. Med. Assoc., 162(1973), 642
646.
( 2 ) P. R Thomas, G. M Christopher and E. B Richard: AO 法骨折
治療 第 2 版，医学書院，(2010), 821.
( 3 ) M. Niinomi (Ed.): Metals for biomedical devices., Woodheadpublishing, (2010), 124.

新技術・新製品