インプラント（医薬品）

インプラントは、失われた生物学的構造を置き換えたり、損傷した生物学的構造をサポートしたり、既存の生物学的構造を強化したりするために製造される医療機器です。たとえば、インプラントは弱い骨を強化するために使用される棒である可能性があります。医療用インプラントは、移植された生物医学的組織である移植とは対照的に、人工のデバイスです。身体に接触するインプラントの表面は、最も機能的であるものに応じて、チタン、シリコーン、アパタイトなどの生物医学的材料で作られる場合があります。 ^[1] たとえば、2018年にAmerican Elementsは、堅牢で長持ちする生体適合性の医療用インプラントを3Dプリントするためのニッケル合金粉末を開発しました。^[2]場合によっては、インプラントには人工ペースメーカーや人工内耳などの電子機器が含まれています。一部のインプラントは、埋め込み型錠剤や薬剤溶出ステントの形の皮下薬物送達デバイスなど、生体活性です。^[3]

インプラントは用途によって大まかに以下のグループに分類できます。

感覚および神経インプラントは、主要な感覚や脳に影響を与える障害、およびその他の神経疾患の治療に使用されます。これらは主に、白内障、緑内障、円錐角膜などの視覚障害、耳硬化症やその他の難聴、中耳炎などの中耳疾患、てんかん、パーキンソン病、治療抵抗性うつ病などの神経疾患の治療に使用されます。例としては、眼内レンズ、角膜実質内リングセグメント、人工内耳、鼓室チューブ、神経刺激装置などがあります。^{[1] [3] [4]}

心臓血管医療機器は、心臓、心臓弁、および循環器系の残りの部分に障害がある場合に埋め込まれます。これらは、心不全、不整脈、心室頻拍、弁膜症、狭心症、動脈硬化などの症状の治療に使用されます。例としては、人工心臓、人工心臓弁、植込み型除細動器、人工心臓ペースメーカー、冠動脈ステントなどがあります。^{[1] [3] [4]}

整形外科用インプラントは、体の骨や関節の問題を軽減するのに役立ちます。^[5]骨折、変形性関節症、脊柱側弯症、脊柱管狭窄症、慢性疼痛の治療や、膝関節や股関節の置換に使用されます。例としては、骨折した骨を治癒するまで固定するために使用されるピン、ロッド、ネジ、プレートなど多種多様なものがあります。^{[1] [3] [4]}

亜鉛とカルシウムを添加したマグネシウムをベースにした金属ガラスは、生分解性医療インプラント用の潜在的な金属生体材料として試験されている。 ^{[6] [7]}

整形外科用インプラントを埋め込まれた患者は、詳細な筋骨格検査のために磁気共鳴画像診断装置（MRI）にかけられる必要がある場合があります。そのため、インプラントの緩みや移動、インプラント金属の加熱による周辺組織の熱損傷、MRI スキャンの歪みによる画像結果への影響などについて懸念が高まっています。2005 年の整形外科用インプラントの研究では、外部固定クランプを除き、整形外科用インプラントの大部分は 1.0テスラのMRI スキャン装置の下では磁場に反応しないことが示されています。 ^{[8]ただし、7.0 テスラでは、}かかとや腓骨インプラントなど、いくつかの整形外科用インプラントが MRI 磁場と顕著な相互作用を示します。^[9]

電気インプラントは、関節リウマチの痛みを和らげるために使用されています。^[10]電気インプラントは関節リウマチ患者の首に埋め込まれ、インプラントは迷走神経の電極に電気信号を送ります。^{[11] [12]}このデバイスの応用は、関節リウマチ患者が生涯にわたって投薬を受ける代わりになるものとしてテストされています。^[13]

避妊用インプラントは主に、望まない妊娠を予防し、非病的な月経過多などの症状を治療するために使用されます。例としては、銅やホルモンをベースにした子宮内避妊器具などがあります。^{[3] [4] [14]}

美容インプラント（多くの場合は補綴物）は、身体の一部を容認できる美的基準に戻すことを目的とする。乳がんによる乳房切除術のフォローアップとして、ある種の外観障害の矯正、身体のさまざまな部分の修正（臀部増強や顎増強など）に使用される。例としては、乳房インプラント、鼻プロテーゼ、眼プロテーゼ、注入可能な充填剤などがある。^{[1] [3] [4]}

その他の臓器の機能不全は、消化器系、呼吸器系、泌尿器系などの体内のシステムで発生する可能性があります。インプラントは、胃食道逆流症、胃不全麻痺、呼吸不全、睡眠時無呼吸、尿失禁および便失禁、勃起不全などの症状を治療するために、これらの部位やその他の部位で使用されます。例としては、 LINX、埋め込み型胃刺激装置、横隔膜/横隔膜神経刺激装置、神経刺激装置、外科用メッシュ、人工尿道括約筋、陰茎インプラントなどがあります。^{[3] [4] [15] [16] [17] [18] [19]}

医療機器は、医療機器がユーザーに与えるリスクに応じて、米国食品医薬品局（FDA）によって3つの異なるクラスに分類されています。21CFR 860.3によると、クラスIの機器は、ユーザーへのリスクが最も少なく、管理も最も少ないと考えられています。クラスIの機器には、アームスリングや手持ち式手術器具などの単純な機器が含まれます。クラスIIの機器は、クラスIの機器よりも規制が必要と考えられており、FDAの承認を受ける前に特定の要件を満たす必要があります。クラスIIの機器には、X線システムや生理学的モニターが含まれます。クラスIIIの機器は、人間の生命を支えたり維持したりする機器であるため、または十分にテストされていない可能性があるため、最も規制上の管理が必要です。クラスIIIの機器には、置換心臓弁や埋め込み型小脳刺激装置が含まれます。多くのインプラントは、通常、クラスIIとクラスIIIの機器に分類されます。^{[20] [21]}

生体反応性が最小限のさまざまな金属が日常的にインプラントされている。最も一般的にインプラントされているステンレス鋼は316Lである。コバルト-クロムおよびチタンベースのインプラント合金も永久的にインプラントされている。これらはすべて、表面に薄い酸化物層を形成することで不活性になっている。しかし、金属イオンが酸化物を通して拡散し、周囲の組織に到達することを考慮すべきである。金属インプラントに対する生体反応には、小さな繊維組織のエンベロープの形成が含まれる。この層の厚さは、溶解される生成物と、インプラントが囲む組織内で移動する程度によって決まる。純チタンは、最小限の繊維性カプセル化しか持たない可能性がある。一方、ステンレス鋼は、2 mm ものカプセル化を引き起こす可能性がある。^[22]

• ASTM F138/F139 316L
• ASTM F1314 22Cr-13Ni–5Mn

• ASTM F67 非合金（商業用純）チタン
• ASTM F136 Ti-6Al-4V-ELI
• ASTM F1295 Ti-6Al-7Nb
• ASTM F1472 Ti-6Al-4V

• ASTM F90 コバルト-20Cr-15W-10Ni
• ASTM F562 コバルト-35ニッケル-20クロム-10モリブデン
• ASTM F1537 コバルト-28Cr-6Mo

• ASTM F560 非合金タンタル

多孔質インプラントは、金属またはセラミックマトリックス内に空隙が存在することが特徴です。空隙は、積層造形（AM）格子のように規則的なものである場合もあれば、^[23]ガス浸透製造プロセスのように確率的なものである場合もあり、インプラントの弾性率の低下は、ベース材料の体積分率と気孔の形態に依存する複雑な非線形関係に従います。^{[ 25]}

確率的多孔質材料が取り得る弾性率の範囲を予測するための実験モデルが存在する。^[26] 10% vol.分率を超えると、モデルは大幅に逸脱し始める。低多孔度の2材料マトリックスの混合則など、異なるモデルが機械的特性を記述するために開発されている。^[27]

AM格子は、確率的多孔質材料と比較して、より予測可能な機械的特性を有し、好ましい方向性機械的特性を有するように調整することができる。支柱の直径、支柱の形状、横梁の数などの変数は、格子の荷重特性に劇的な影響を及ぼす可能性がある。^[28] AMは、確率的多孔質構造よりもはるかに狭い範囲で格子間隔を微調整する能力を有し、組織工学における特定の培養の将来的な細胞開発を可能にする。^[29]

1) インプラントの弾性係数が低減され、インプラントが骨の弾性係数に適合しやすくなります。皮質骨の弾性係数 (約 18 GPa) は、一般的な固体チタンまたは鋼のインプラント (それぞれ 110 GPa と 210 GPa) よりも大幅に低いため、インプラントが付属器にかかる負荷の不均衡な量を吸収し、ストレスシールドと呼ばれる効果をもたらします。

2) 多孔性により、骨芽細胞はインプラントの細孔内で成長することができます。細胞は 75 ミクロン未満の隙間を通り抜け、200 ミクロンを超える細孔内で成長することができます。^[24]骨の成長は、細胞をインプラントに固定し、骨とインプラントの界面の強度を高めるため、好ましい効果です。^[30]インプラントから骨に伝達される荷重が増えるため、応力遮蔽効果が減少します。骨にかかる荷重が増加するため、インプラント周囲の骨の密度が高くなる可能性があります。骨の成長により、長期間にわたる応力遮蔽とそれに伴う骨吸収が回避されるため、インプラントが時間の経過とともに緩む可能性が低くなります。^[31]骨芽細胞を十分に固定するには、40% を超える多孔性が好ましいです。^[32]

理想的な条件下では、インプラントは望ましい宿主反応を引き起こすはずです。理想的には、インプラントは近隣または遠隔組織から望ましくない反応を引き起こすべきではありません。しかし、インプラントとインプラント周囲の組織との相互作用は合併症につながる可能性があります。^[1]医療機器のインプラントのプロセスは、手術中または手術後に他の侵襲性医療処置が持つ可能性のあるものと同じ合併症の影響を受けます。一般的な合併症には、感染症、炎症、および疼痛があります。発生する可能性のあるその他の合併症には、インプラント誘発性凝固による拒絶反応のリスクとアレルギー性異物反応があります。インプラントの種類によって、合併症は異なる場合があります。^[1]

手術中または手術後にインプラント部位が感染すると、周囲の組織が微生物に感染します。手術後には、主に 3 つのタイプの感染が発生します。表在性即時感染は、皮膚の近くまたは皮膚上で一般的に増殖する微生物によって引き起こされます。感染は通常、手術開口部で発生します。2 つ目のタイプである深部即時感染は、手術直後のインプラント部位で発生します。深部即時感染は、皮膚常在細菌および空気感染細菌によって引き起こされます。これらの細菌は、インプラント前にインプラントの表面に付着して体内に入ります。一般的ではありませんが、深部即時感染は、インプラント部位の以前の組織感染で休眠状態にあった細菌が手術中にかき乱されて活性化して発生することもあります。最後のタイプである晩期感染は、インプラントの移植後、数か月から数年経って発生します。晩期感染は、インプラント前にインプラントに付着していた休眠状態の血液媒介細菌によって引き起こされます。血液媒介細菌はインプラント上でコロニーを形成し、最終的にはインプラントから放出されます。インプラントの材料の種類によっては、手術中の感染リスクを下げるために抗生物質が注入されることがあります。しかし、抗生物質を注入できるのは特定の種類の材料だけであり、抗生物質を注入したインプラントを使用すると、患者が抗生物質に敏感になり、抗生物質が細菌に効かない可能性があるため、患者からの拒絶反応のリスクがあります。^[33]

炎症は、外科手術後によく起こる現象で、外傷、感染、異物の侵入、局所的な細胞死による組織損傷、または免疫反応の一部として起こる身体の反応です。炎症は、局所組織に血液を供給するために局所毛細血管が急速に拡張することから始まります。血液の流入により組織が腫れ、細胞死を引き起こす可能性があります。過剰な血液、つまり浮腫は、組織の痛み受容体を活性化する可能性があります。炎症部位は、局所的な体液の流れの乱れと、組織を修復したり部位から破片を除去したりする細胞活動の増加により温かくなります。^[33]

インプラント誘発性凝固は、損傷した血管からの失血を防ぐために体内で行われる凝固プロセスに似ています。ただし、凝固プロセスは、インプラントの表面に付着して形状を失うタンパク質によって引き起こされます。これが発生すると、タンパク質の構造が変化し、さまざまな活性化部位が露出し、免疫系の反応が引き起こされる可能性があります。この反応により、体がインプラントを攻撃して異物を除去しようとします。免疫系の反応が引き起こされると、炎症が伴う場合があります。免疫系の反応により、インプラントが拒絶され、体から除去しなければならない慢性炎症が発生する可能性があります。免疫系は、フィブリノーゲンと血小板でインプラントをカプセル化することにより、組織の部位から異物を除去しようとして、インプラントをカプセル化する場合があります。インプラントのカプセル化により、繊維性のカプセル化の厚い層によりインプラントが目的の機能を果たせなくなるため、さらなる合併症が発生する可能性があります。細菌が繊維性のカプセル化を攻撃し、繊維に埋め込まれる場合があります。繊維の層が厚いため、抗生物質が細菌に到達できず、細菌が増殖して周囲の組織に感染する可能性があります。細菌を除去するには、インプラントを除去する必要があります。最後に、免疫系がインプラントの存在を受け入れ、周囲の組織を修復および再構築します。同様の反応は、体がアレルギー性異物反応を開始したときにも発生します。アレルギー性異物反応の場合、インプラントを除去する必要があります。^[34]

インプラントの故障の例としては、シリコン製乳房インプラントの破裂、人工股関節置換術、ビョーク・シャイリー弁などの人工心臓弁などがあり、いずれもFDAの介入を引き起こした。インプラントの故障の結果は、インプラントの性質と体内の位置によって異なる。したがって、心臓弁の故障は個人の生命を脅かす可能性が高いが、乳房インプラントや股関節の故障は生命を脅かす可能性は低い。^{[1] [34] [35]}

脳の灰白質に直接埋め込まれた装置は最高品質の信号を生成しますが、瘢痕組織が蓄積しやすく、体が脳内の異物に反応して信号が弱くなったり、まったく聞こえなくなったりすることがあります。^[36]

2018年、ICIJの調査により、安全性が不十分で十分なテストが行​​われていない医療機器が患者の体内に埋め込まれていたことが明らかになった。英国では、王立外科医師会会長のデレク・アルダーソン教授が「すべてのインプラント機器は登録され、追跡され、長期的な有効性と患者の安全性を監視する必要がある」と結論付けている。^[37]

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