研究紹介

骨折治療支援システム開発

明日の医療を島根から創造する！
これまでにない骨折治療支援システム開発>
～「ホネ」で骨折を治す!?　金属材を使わない骨折治療～

講師　今出 真司

Ⅰ.　開発背景

骨折治療では、チタンなどの金属製ネジが固定材料として用いられます。これはＤＩＹをやる時、大工道具を持ち出してネジや釘でトンカチすることと、本質は同じです。誰しも一度はそんな工作をしたことがあると思います。思い出してください。ネジ込む方向を間違えるとネジ頭部がひっかかっていけませんし、うまくできたと思っても長く使っていると、徐々に緩んで出っ張ったネジ頭部にひっかかり痛い思いをした、そんな経験があるのではないでしょうか。骨折治療でも似たような事が起こり問題となります。例えば出っ張ったネジ頭部が皮膚を刺激し炎症を起こしたり、周囲にある正常な腱や靭帯を傷つけたり・・・。こうした問題を避けるため、骨折が治り不要となったネジは抜去します（抜釘術）。つまり、2回も手術を行うことになります。

「体に吸収される素材を用いればいいだろう。」というアイデアは古くからありました。考えられる素材は、「骨」と「人工骨」です。骨製ネジは19世紀初頭に考案され、他人の骨（同種骨）や動物の骨（他家骨）をネジへ加工し骨接合が行われました。報告は少ないものの、有用性が示唆されています[1,2]。一方で拒絶反応や臓器移植感染（他者の骨に巣くっている細菌やウイルも一緒に移植してしまう事）といった移植に伴う問題に加え、術中ニーズ（ネジサイズのバリエーション）に対応できないことから使用は限定的です。一方人工骨ネジは1990年代から医療現場で使用されるようになりました。抜釘不要という主目的は達成できていますが、使用部位によっては問題を生じ、例えば関節内で使用すると異物反応による関節炎を起こすことがあります[3,4]。

こうした問題を解決するにはどうするか、その答えを患者さん自身の骨である自家骨に求めました。自家骨なら移植に伴う問題はありません。しかしここには大きな問題がありました。患者さんから自家骨を採取することは一般的な手技で容易です。ところが、当たり前ですが、これを手術場で清潔環境下にネジへ加工する手段がありませんでした。私たちは清潔環境下に精密な加工ができる工作機械が開発できれば、これが可能になると考え、2004年、本プロジェクトを立ち上げ、活動を開始しました。

日本の古い神社仏閣は木組みの技術で建てられています。これは木材を巧みに加工し組み上げることで金属製固定具を用いずに結合する技術で、日本固有の伝統技能です。医工連携でこの概念を具現化し、「宮大工が木組みで神社仏閣を造るように骨を精密に加工し骨接合する」という、革新的な治療法の確立を目指しています。

Ⅱ.　骨ネジによる骨折治療

図1：骨ネジシステム

基礎研究から骨が固定材料としての実用に足ることを見出し[5-7]、また骨に特化した加工法を確立し[8,9]、上図のような自家骨ネジによる骨折治療システムを構築しました（図1）。島根大学医学部医の倫理委員会の承認（No. 213）を得て、2007年から臨床研究を開始しています。これまでに12例へ本術式を施行しました[10-13]。内訳は表1，2の通りです。1年以上経過観察し得た11例のうち、10例において骨接合部の骨癒合を得ました。症例1では術後骨接合部周囲の関節破壊が進行し，伴って骨接合部が圧潰しました。

表1

表2

既往の関節リウマチに加え、サルコイドーシスと全身性エリテマトーデスの合併が判明し、これが悪化の主因と考えています。同症例では、術後1年半で金属ネジを用いた再手術（関節固定術）を施行しました。採骨部障害は2例において確認されました。症例4では採取部の疼痛は遷延しましたが経時的に消失しています。症例7では術後1週で脛骨採骨部に螺旋骨折を生じ、髄内釘による 骨接合術を要しました。なお、その他の症例では、採骨部の経時的再生を認めています。有害事象対策として、関節破壊を伴う全身疾患を有する患者を適応から除外し、また骨採取部の推定残存強度を、有限要素法で術前画像から評価する技術の開発を進めています[14]。

手舟状骨骨折後偽関節の症例を代表例として提示します。赤矢印が偽関節部です[15]。

手術は3チーム別れ行います（図2）。骨折部処理班は同部の不良組織を除去し、そこへ血管柄付き骨移植（Zaidemberg法）[16]を行い、整復位を保持します。並行し採骨班が術前に計画したサイズの骨採取を行います。

図2：手術の構成図

図3：骨ネジ

採取されたブロック骨は骨ネジ作製班へ託され、開発したNC旋盤（株式会社ナノ製 MTS4）を用い、骨ネジを作製します（図3）。骨ネジ作製用NC（数値制御）プログラム（Gコード）は術前計画段階である程度作成し、術中所見に応じて微修正を加えた後、実加工を行います。また、加工時の切削油剤は、ヒアルロン酸ナトリウムで代替します。完成した骨ネジは即座に偽関節部処理班へ渡され、骨接合が行われます。

術後は一定期間の外固定（ギプスあるいはシーネ固定）を行い、以後、骨癒合状況に応じて活動性を上げていきます。骨接合部（手舟状骨偽関節）は経時的に連続性を獲得し、半年もすれば骨癒合します。一方で骨ネジは徐々に周囲の骨と同化し、術後2年で完全に周囲骨に置換され消失します。（図4 A-D）。また、骨採取部（本症例では脛骨骨幹部）について、術直後は大きな欠損となりますが、徐々に周囲から骨再生を生じ修復され、術後2年もすればほぼ完全に再生します（図5）。

図4：術後経過（A：術直後，B：術後6ヵ月，C：術後1年，D：術後2年）

図5：採骨部の単純X線像（左から術直後，6ヵ月後，1年後，2年後）

Ⅲ.　医工連携の問題点と解決策

医工連携は、2000年代から急速に注目されるようになりました。ウィキペディアでは、「医療に関わる新技術の研究開発や、新事業の創出を図ることを目的として、大学など教育機関・研究機関・民間企業の医療関係者と工学関係者が連携すること」と説明されています。グローバル化が進み様々な点で新興国に押されつつある我が国が、技術立国としての地位を保つためには、新規産業の創出は重要な課題であり、医工連携事業はそれを解決し得る有力な候補となります。理念として優れた医工連携ですが、私たちはそこに高い壁があると考えています。それは医学者と工学（企業）者の接点が少ない、という点です。なんだそんな単純なことか、と思うかもしれませんが、単純であるが故に真理でもあります。部外者にとって医療行為やその環境は未知であり、たとえば手術中の「清潔」という医師にとって一般的な環境も、それが意味するところを工業分野の企業側はにわかに理解できません。逆に医療でもドリルやネジを使用しますが、その仕様や扱いについて工学的観点で精通する医師は極めて少数です。「自分の常識は他人の非常識」とよく言いますが、まさにそれです。この溝を埋め、相互理解のもとに進めないとどんなに良い企画も早晩破綻することが予測されます。

私たちはこの問題を解決するため、島根県の公設試験研究機関である、島根県産業技術センター（以下、産技センター）と開発当初から連携してきました。工学分野の研究開発を、公的な立場で県内産業のために行う彼らと共に、「島根県および島根県民のために奉仕する」という共通認識のもと、現在も連携を続けています。医工連携事業では様々な企業と連携するので、都度、相互理解のため時間が必要となります。ところが私たちのチームでは、我々と同じく研究者であり、かつ企業支援をミッションとする産技センターが両者間でいわば通訳の役割を果たしてくれるので、様々な業種の企業と時間をかけず柔軟な医工連携が可能になっているのです。

Ⅳ．加工対象素材

当初、本プロジェクトは自家骨への応用前提に始めました。確かに自家骨は優れた素材であり骨部材中最強といっても過言ではありません。しかし、採取量に限りがあることや、採骨に何らかの障害を生じることもあり、全能ではありませんでした。次表（表3）は各骨部材の特性を簡単にまとめたものです。一長一短あることがわかると思います。

 

表3

こうした各材料の特性を考慮し、また臨床研究から得た知見を加え、逆説的ですが現在は同種骨や人工骨も加工対象に加えプロジェクトを進めています。重要なことは、各材料特性を十分に把握し、症例毎に最適な材料を選択し本システムを運用することによって最善の治療法を患者さんへ提供すること、であると考えています。

Ⅴ. 骨折治療支援システム

骨折治療はパズルに似たところがあり、ピースを一つずつはめ込んでいくように、バラバラになった骨片を元あった場所へ戻して留めていきます。これを留める新しい道具として、骨ネジを考案し用いてきました。一方で、患者さんによっては骨片が足りないことがあります。たとえば粉砕が強く粉々になってしまったり、交通事故など大きなケガで骨片そのものを失っていたり・・・。これを骨欠損部といいます。そのような場合、骨移植が追加されます。不足したピースを作ってしまおう、というわけです。実際の医療現場では、これを医師が手作業で行っています。当たり前ですが、欠損部にピッタリフィットした移植片を手作業で作ることは不可能です[17]。そこで、2013年から骨ネジに骨部材三次元加工を組み合わせた、「骨折治療支援システム」構想を立ち上げ、開発を進めています。

これまでの研究で使用した骨ネジ用加工機は既存の工業用旋盤をベースに、医療用へ改良したものでした。一方本システムでは、ネジ加工および三次元加工のいずれにも対応した加工機が必要ですが、そうした機能を持つ既存の機械は存在しませんでした。そこで求められた機能を有する新型機を開発できる技術を有し、かつ新規事業開発に熱意を持つ企業を探していたところ、島根県内企業のヒカワ精工株式会社（出雲市斐川町）およびその親会社である株式会社日進製作所（京都府京丹後市）とめぐり合い、両社と産技センターおよび当教室4者間で2016年度から新型加工機開発に関する共同研究を開始しました。2017年2月には、ベースとなる実験用対骨材複合加工機（BNMC）が完成し、同年12月15日にはこれまでの経緯およびこれからの展開に関する記者会見を行い、多くのメディアで報道されました（図6）。

図6：記者会見の様子

本試作機をベースに、加工性（加工時間や加工精度）向上、安全性（滅菌空間の担保）向上、扱い易さ向上といった各種改良を重ね、2020年3月に臨床用複合加工機（BD10-T5）が完成しました。こうした研究は島根県の支援（技術シーズ連携研究開発支援事業）および島根大学の支援（戦略的機能強化推進経費）など多数のご支援により継続することができました。

2021年度から臨床研究（自家骨および同種骨を用いた骨製ネジによる骨接合術の臨床応用：UMIN000030024）へ導入し運用しています。これまでに2例の実臨床を実施し、いずれも経過良好です（図7）。

図7：手術の様子

Ⅵ. 展望

プロジェクトを開始してから約18年、多くの仲間に恵まれたことで、これまでになかった骨折治療支援システムを作り上げ、臨床研究を行うまでに成長しました。本システムは「骨折を治す」という目的に対する答えとして開発してきましたが、見方を変えれば、「清潔環境下に対象物を任意加工する装置」ととらえることができます。新たな加工対象（高強度人工骨材など），各製造技術（3Dプリンターなど），使用環境（院外運用，海外など）を様々に組み合わせることで多様性を生むことができます。例えば僻地や途上国での運用、加工対象を新規人工素材へ拡大することで物流システムそのものに革新をもたらす可能性があります。また、今後急速に進むことが予測される宇宙事業でも、その価値はあると考えています。

これらは夢のような話ですが、「起こしてこその奇跡、叶えてこその夢」とかつて誰かが言ったように、明日の医療を島根から創造すべく、私たちは日々邁進していきます！

Ⅶ. 関連事業

  1. 骨粗鬆症患者専用ネジ開発

  2. ヘッドレス骨ネジ開発

    スポーツ外傷に多い靭帯損傷では、競技復帰を目指して手術（靭帯再建術）が行われます。患者自身の腱を採取し靭帯の代わりに移植しますが、その固定には通常何らかの人工材（ネジや糸）を用います。重要なことは、人工材は決して人体と同化せず、つまり真の「再生」ではないということです。そこで、固定に用いるネジを骨から製作し、患者さん自身の骨と腱のみで靭帯を再建することによる、靭帯再建再生を目指しています。これまでに、本術式に特化した移植骨採取法（負担の少ない特殊な自家骨採取法）、およびヘッドレス骨ネジに適した加工方法とそれを可能にする専用加工機と治具の開発を行ってきました。基礎的研究は概ね終了し、2022年度内での臨床研究開始に向け準備を進めています。

  3. プラズマ表面処理技術の応用

    プラズマとは、気体・液体・固体と並ぶ第4の状態といわれ、自由に動きうる電子とイオンが十分に存在し、全体として電荷の総和がゼロの状態を指します。この状態において、原子は励起状態にあるので、高いエネルギーを有し、これが対象に衝突することで科学的あるいは物理的変化を与えることができます。私たちは骨表面に対するプラズマ処理の効果を2010年から調査しています。現段階では同処理が骨表面に何らかの変化を与えることはつかんでいますが、どの処理条件がどういった再現性のある変化を与え、それが骨癒合にどのような効果を有するか、未だにわかっていません。引き続き探索を続けていきます。

Ⅷ.　参考文献（〇は当教室の業績）

1.  Obwegeser JA. Bioconvertible screws made of allogenic cortical bone for osteosynthesis following sagittal split ramus osteotomy without postoperative immobilization. J Craniomaxillofac Surg. 1994, 22: 63-75.

2. Rano JA, Savoy-Moore RT, Fallat LM. Strength comparison of allogenic bone screws, bioabsorbable screws, and stainless steel screw fixation. J Foot Ankle Surg. 2002, 40: 351-356.

3. Böstman O, Hirvensalo E, Mäkinen J et al. Foreign-body reactions to fracture fixation implants of biodegradable synthetic polymers. J Bone Joint Surg Br. 1990, 72: 592-596.

4. Konan S, Haddad FS. The unpredictable material properties of bioabsorbable PLC interference screws and their adverse effects in ACL reconstruction surgery. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2009, 17: 293-297.

⑤ Imade S, Mori R, Uchio Y, Furuya S. Effect of implant surface roughness on bone fixation: the differences between bone and metal pegs. J Orthop Sci. 2009, 14: 652-657.

⑥ Kono M, Mori R, Uchio Y. Bone screws have advantages in repair of experimental osteochondral fragments. Clin Orthop Relat Res. 2012, 470: 2043-2050.

⑦ Nagatani T, Mori R, Wang Y et al. Optimum predrilled hole size for bone screws used in osteochondral fixation: in vitro biomechanical study and clinical case. J Orthop Sci. 2010, 15: 245-250.

⑧ Ohtani T, Nakai T, Mori R, Uchio Y: Self-regenerative ability of bone and micro processing of bone-component material in orthopedic surgery healing. BONE REGENERATION, edited by Tal H, IntechOpen, London, p267-282, 2012.

⑨ Wang Y, Mori R, Ozoe N et al. Proximal half angle of the screw thread is a critical design variable affecting the pull-out strength of cancellous bone screws. Clin Biomech. 2009, 24: 781-785.

⑩ Imade S, Miyamoto W, Sanada H et al. Nonunion in proximal phalanx of great toe treated by grafting with precisely processed autologous bone peg. J Foot Ankle Surg. 2011, 50: 449-452.

⑪ Imade S, Mori R, Uchio Y. Treatment of scaphoid nonunion using an autologous bone screw. J Hand Surg Eur. 2012, 37: 899-900.

⑫ Kumahashi N, Kuwata S, Imade S et al. Fixation of osteochondral fractures of the patella using autologous bone screws when reconstructing the medial patellofemoral ligament after recurrent patellar dislocation: report of two cases. J Orthop Sci. 2014, 19: 359-364.

⑬ 今出真司，内尾祐司，若槻拓也，古屋　諭，中澤耕一郎，松村浩太郎：自家骨製ネジによる骨折治療．別冊整形外科75　整形外科診療における最先端技術．南江堂：230-234, 2019．

⑭ 青木　将，今出真司，真子卓也，若槻拓也，内尾祐司．　3次元有限要素法による骨強度評価モデルの開発：脛骨骨採取前後の比較．日本臨床バイオメカニクス学会誌41：277-281，2020．

⑮ Manako T, Imade S, Yamagami N, et al. The clinical outcomes of scaphoid nonunion treated with a precisely processed autologous bone screw: a case series. Arch Orthop Trauma Surg. 2021 Aug 4.

16.  Zaidemberg C, Siebert JW, Angrigiani C. A new vascularized bone graft for scaphoid nonunion. J Hand Surg Am. 1991, 16:474-478.

⑰ Imade S, Uchio Y, Ozoe N. Superior fixation of machine-made bone pegs over handmade bone pegs. J Orthop Sci. 2012, 17: 619-25.

Ⅸ. 関連する論文業績（上記以外）

  1. 今出真司，内尾祐司，真子卓也，他：工作機械を応用した精密な骨移植‐ネジからブロックまでオンデマンドに対応する骨折治療支援システム‐．スマート医療テクノロジー第2章第4節，249-256，2019．
  2. Aoki A, Imade S, Uchio Y. Effect of the positional relationship between the interference screw and the tendon graft in the bone tunnel in ligament reconstruction. J Orthop Surg. 2019, 27(1): 1-9.
  3. 内尾祐司, 今出真司: 島根大学　自分の骨で作った「骨ねじ」による骨折治療. 産官学連携ジャーナル 14(6): 32-33, 2018.
  4. 内尾祐司，今出真司：自家骨を用いた骨製ネジの開発生体.　生体吸収性材料と安全性評価　技術情報協会: 257-265, 2017.
  5. 内尾祐司，今出真司，古屋　諭，中澤耕一郎，持田修司：医療用三次元加工機専用CAM（コンピュータ支援製造）開発　―医療ニーズに合致した処理能力の選択的開発―． 島根大学お宝研究12：p4, 2018.
  6. 今出真司，内尾祐司，若槻拓也，古屋　諭，中澤耕一郎，須澤敏郎，森井　敬：骨折治療支援システムを応用したテーラーメイド骨粗鬆症患者用人工骨ネジの開発　―新型人工骨ネジ開発―. 島根大学お宝研究 13 p14, 2019.

Ⅹ.　産業財産権

  • 特開2017-196672「プログラミングシステム、骨部材加工システム、プログラム生成方法および骨部材加工方法」
    発明者：内尾祐司、今出真司、古屋　諭、中澤耕一郎、松村浩太郎、飯島大典
  • 特開2015-134064「プログラミング装置、NC加工機および骨部材加工システム」
    発明者：内尾祐司、今出真司、飯島大典、小山洋悦
  • 特開2006-239825「立旋盤」
    発明者：森隆治、大谷忠、林亮、村中克行
  • 特開2006-231476「チャック」
    発明者：森隆治、大谷忠、林亮、村中克行
  • 特開2006-175130「骨接合術用具」
    発明者：森隆治、大谷忠、林亮、村中克行

Ⅺ. 関連する展示　他

  • イノベーションジャパン2005
  • イノベーションジャパン2013
  • イノベーションジャパン2015
  • 次世代医療システム産業化ファーラム2015　第6回例会
  • 出雲産業フェア2016
  • しまね大交流会2016
  • イノベーションジャパン2017
  • 第21回関西機械要素技術展（2017）
  • イノベーションジャパン2018
  • しまね大交流会2018
  • 日中大学フェア＆フォーラムin CHINA2019
  • イノベーションジャパン2020
  • JOSKAS-JOSSM　2022

Ⅻ．メディア対応

  1. 放送
    • 魅惑のソノタ（NHK，2016年放送）
    • ドクターX（テレビ朝日，2017年放送）
    • さんいんTODAY（出雲ケーブル，2018年放送）
    • でっか!?VT（フジテレビ，2018年放送）
  2. 新聞・雑誌
    • 読売新聞（2017年12月16日記事）
    • 毎日新聞（2017年12月16日記事）
    • 島根日日新聞（2017年12月16日，2018年1月1日記事）
    • 日刊工業新聞（2017年12月18日記事）
    • 朝日新聞（2018年3月26日記事）

※COI開示

  1. 助成金として
    • 2015-2016　(公財）日本スポーツ治療医学研究会
    • 2015-2016　(公財）テルモ生命科学芸術財団
    • 2016，2018　(株)日進製作所
    • 2019-2020　(公財）整形災害外科学研究助成財団
  2. 科研費
    • 2016-2018　大気圧下プラズマを装備した骨折支援システムの開発（16K21180）
  3. その他
    • 2018-2020　島根県技術シーズ連携研究開発支援事業
    • 2021-2022　島根県技術シーズ育成事業