Одной из самых успешных областей медицины для 3D печати, пожалуй, можно назвать протезирование. Ведь при нынешних возможностях, люди стали получать разительно более дешевые и в то же время более качественные протезы практически всех костей в человеческом организме.
Кроме этого, в будущем, нас наверняка ждет колоссальный прорыв в трансплантологии. Над этим прорывом работает целая отрасль, именуемая 3D-биопечатью. Суть биопечати в том, чтобы в буквальном смысле изготавливать человеческие органы на специально разработанных 3D принтерах. Звучит такая перспектива, скажем прямо, как нечто из научной фантастики. Однако уже сегодня в этой сфере есть немало побед. Так, например, нам известно, что в ряду достижений ученых числится успешно вживленная в тело мыши распечатанная печень! По словам экспертов, в перспективе примерно 10-ти лет, мы сможем проводить аналогичные операции, но уже с людьми.
Что же до людей, которые как известный всем Фома не могут поверить до тех пор, пока не пощупают, можно привести в пример стоматологию. Уже сегодня, мы имеем повсеместное внедрение 3D печати в эту область медицины. Мудрые стоматологи по всему миру уже смекнули, что зубные протезы, распечатанные на 3D принтере, проще в изготовлении и имеют более точные параметры, нежели протезы произведенные вручную.
Словом, количество и качество достижений и перспектив, которые привнесла 3D печать в медицину, дает нам полное право говорить о том, что аддитивное производство - это новая веха в научно-технологической жизни человечества, ведь не каждая технология может похвастаться тем, что она спасает жизни людей.
Печать органов на 3d принтере открывает новые возможности
Особого внимания заслуживают возможности в сфере протезирования и создания экзоскелетов. Эти технологии имеют ряд неоспоримых преимуществ:- Изготовление занимает совсем немного времени благодаря специальным программам (например, Mimics, SurgiCase, SimPlant или других, используемых в медицине).
- Стоимость на несколько порядков ниже, чем при использовании обычных технологий.
- Учет индивидуальных характеристик и потребностей конкретного пациента обеспечивает комфорт, а значит, больше не нужно «подтачивать» уникальную ткань под стандартную заготовку.
Увы, на современном этапе напечатанные органы не воссоздают поврежденный оригинал, но способны функционально его заменить. Например, искусственные сердечные клапаны, суставы, зубы, слуховые аппараты и элементы конечностей с успехом выполняют функции имплантатов.
Последним же ноу-хау является печать органов на 3d принтере, при которой используется биоматериал вместо пластика или смол.
На данный момент разработаны две методики: печатать органы живыми клетками, заполняя окружающее пространство специальным коллагеновым гелем, или же помещать клетки на поверхности (или внутри) напечатанной принтером пластиковой формы. Первый способ позволил вырастить ткань кожи, второй - живую печень и почку, которые планируют использовать для экспериментов.
По подсчетам ученых, до времени, когда можно будет свободно распечатывать органы на 3d принтере, осталось лет 10.
В мае 2018 года стало известно о создании 3D-принтера, печатающего из сахара ткани для выращивания органов и изучения опухолей. Это разработка Университета штата Иллинойс (University of Illinois).
На рынке уже можно встретить 3D-принтеры, способные печатать объекты из сахара. В отличие от этих устройств новое оборудование использует изомальт - заменитель сахара, получаемый из свеклы и обычно встречающийся в леденцах от боли в горле и кашля.
После растворения и объемной печати сахарные структуры охлаждаются и затвердевают, создавая прочный скаффолд - подложки-носители, на основе которых происходит культивирование живых клеток. Здесь одна из проблем - получение материала, который «уйдет» не раньше и не позже нужного времени.
3D-печать с использованием сахара становится сложной, когда речь идет о регенерации сердечной ткани. Слишком большое давление приводит к потере формы структуры, а чрезмерное количество тепла приводит к кристаллизации или сжиганию ткани. Изомальт менее подвержен кристаллизации, чем обычный сахар, и не подвержен обесцвечиванию при растворении.
Профессор Рохит Бхаргава, который работает в центре лечения раковых опухолей в Иллинойсе, говорит, что уникальный метод позволяет производить конструкции из тонких трубок с круглым поперечным сечением. Ранее это было невозможно для полимеров. Растворимый же сахар помогает создавать цилиндры и туннели, которые напоминают кровеносные сосуды. Именно по этим сосудам можно транспортировать питательные вещества к тканям или клеткам. Разработка нового метода также позволит создавать каналы в микрожидкостных устройствах.
Технология Университета штата Иллинойс может найти применение в таких областях, как медицинские исследования, биомедицинская инженерия и производство. Эксперты надеются, что через какое-то время их 3D-принтер сможет печатать человеческие органы с нуля.
На 3D-принтере впервые напечатали роговицу
В мае 2018 года стало известно о первом создании роговой оболочки глаза при помощи 3D-принтера. Этим достижением смогли похвастать в Университете Ньюкасла (Newcastle University). По словам исследователей, теперь они могут использовать объемную печать для формирования роговиц из стромальных клеток для каждого человека.
Портативный 3D-принтер для печати искусственной кожи прямо на человеке
В мае 2018 года исследователи из Университета Торонто представили портативный 3D-принтер для печати кожи, предназначенный для лечения глубоких ожоговых ран. Группа исследователей отмечает, что это первое устройство, которое формирует и располагает распечатанный образец ткани непосредственно на месте ожога всего за пару минут. Подробнее .
ПО для 3D-печати органов с использованием искусственного интеллекта
11 апреля 2018 года производитель биологических 3D-принтеров Aether объявил о выпуске программного обеспечения для медицинской визуализации на основе искусственного интеллекта (ИИ), которое значительно продвинет разработку органов. Новое Automatic Segmentation and Reconstruction (ASAR) поможет врачам и исследователям повысить производительность путем автоматизированной сегментации органов и тканей.
Больницы экономят десятки тысяч долларов за счет 3D-печати
В марте 2018 года в Северной больнице Манчестера (NMGH) открылась лаборатория для помощи специалистам по челюстно-лицевым хирургии в лечении и реабилитации пациентов после с раком головы и шеи, лицевой травмой или врожденными аномалиями. Лаборатория была создана специалистом по реконструктивным технологиям Оливером Берли (Oliver Burley), который обосновал экономические преимущества 3D-лаборатории для больницы, а также провел сбор средств на саму лабораторию, программное обеспечение и 3D-принтер PolyJet (стоимостью $ 42000). В настоящее время в штате лаборатории состоят три специалиста, которые работают с девятью консультантами по челюстно-лицевой хирургии.
Получив степень магистра в области реконструктивных технологий, в курсе которых изучалось применение трехмерной печати, Берли представил руководству больницы Манчестера экономическую модель 3D-лаборатории. Первым аргументом в ее пользу стала экономия средств, поскольку больница ежегодно тратила $ 166 000 на проекты по 3D-печати. В среднем больница сталкивается с 20 случаями рака и 8-10 травмами ежегодно, и проведенный на основании этих данных анализ показал, что обслуживание собственной 3D-лаборатории обойдется дешевле. Хотя больнице приходится оплачивать лицензирование лаборатории, эта сумма остается фиксированной и не зависит от объема проделанной работы. Вторым аргументом стала экономия времени хирургов, которые могут использовать 3D-модели при планировании операций. Наконец, последним аргументом стало сокращение времени доставки 3D-моделей от производителя.
В качестве программного обеспечения для моделирования был выбран Materialize Mimics Innovation Suite, а для создания моделей реконструкции костей черепа челюстных остеотомий был взят ProPlan CMF; стоимость ПО составила около $ 25 000. Берли отмечает, что 3D-модели используются больницей почти в каждом случае рака головы и шеи; он уверен, что через пять лет лаборатория 3D-печати станет обязательным приложением центров лечения и реабилитации онкологических пациентов.
В основном лаборатория работает с пациентами, имеющими рак головы или шеи: им требуются реконструктивные операции, в том числе на основе костных трансплантатов для реконструкции верхней или нижней челюсти. Голова пациента сканируется, а затем создается виртуальная трехмерная модель. Хирурги и специалисты лаборатории могут рассмотреть различные виды реконструктивных операций и устройств в виртуальной реальности , прежде чем перейти к стадии проектирования. Разработанные протезы, стержни или пластины печатаются на 3D-принтере с использованием металлических или пластмассовых смесей. Заключительный этап проекта предполагает, что полученная модель стерилизуется и передается хирургам. Благодаря широкому спектру инструментов лаборатория принимает и другие заказы и уже используется ортопедами, неврологами и ревматологами.
Государственная служба здравоохранения добилась значительных успехов в трехмерной печати – так, в Уэльсе недавно создали первый в мире комбинированный костный трансплантат и представили трехмерную модель операции. Специалисты отмечают предпосылки того, что трехмерная печать все чаще будет использоваться в здравоохранении. В феврале 2018 года в Бристоле открылся новый исследовательский центр Bristol Biomedical Research Center (BRC), в котором предполагается изучать технологии тканевой инженерии путем биопечати. Новые разработки будут основаны на данных существующих исследований сердечно-сосудистой системы и 3D-печатных сердечных имплантатов.
Напечатанные на 3D-принтере конечности вставляют беженцам из Сирии
В марте 2018 года стало известно о том, что в одной из больниц Иордании используют напечатанные на 3D-принтере конечности для лечения беженцев, раненых в Сирии. Технологии, применяемые в проекте международной организации по оказанию медицинской помощи "Врачи без границ" (Medecins Sans Frontieres, MSF), позволяют в течение 24 часов спроектировать и изготовить протез, причем его стоимость в разы ниже, чем у традиционных искусственных конечностей.
По данным New Atlas, с начала 2017 года в программе MSF приняли участие пять пациентов-добровольцев, среди которых есть и дети. Проект реализуется в центре Восстановительной хирургии MSF на базе больницы Al-Mowasah Hospital в столице Иордании Аммане, где проходят лечение раненые во время военных конфликтов в Сирии, Ираке и Йемене.
По его словам, напечатанная на 3D-принтере рука может стоить около $20, в то время как обычный протез верхней конечности обходится в сотни долларов .
Помимо дешевизны и быстроты изготовления есть и другие преимущества. Например, протез, изготовленный с помощью трехмерной печати, можно спроектировать с учетом индивидуальных нужд пациента и его повседневных задач – от езды на автомобиле до обычных домашних дел. Кроме того, проектирование может осуществляться дистанционно, а на месте выполняться только сканирование конечности и сама 3D-печать.
Также напечатанные протезы существенно легче традиционных, что немаловажно для пациентов.
MSF надеется расширить программу и на другие регионы, нуждающиеся в подобной помощи.
2017
3D-биопринтер для лечения сахарного диабета
В начале декабря 2017 года австралийский университет Вуллонгонга представил новый настраиваемый 3D-биопринтер, который способен улучшить лечение пациентов с диабетом первого типа.
Изобретатели назвали систему 3D-биопринтером для трансплантации клеток поджелудочной железы (PICT). Новая технология была представлена министру здравоохранения Южной Австралии, а затем передана для использования Королевской больнице Аделаиды, которая стала первой в мире клиникой с подобным оборудованием.
Разработчики поясняют, что система наносит специальные биочернила, содержащие инсулин-продуцирующие островковые клетки, на трансплантируемые 3D-печатные каркасные структуры. Предполагается, что такой метод должен усовершенствовать существующий процесс трансплантации островковых клеток от доноров человека, применяемой для лечения серьезных случаев диабета. Новая технология позволяет снизить риск отторжения пересаженной ткани за счет включения в донорскую ткань клеток пациента.
Кроме того, биопринтер печатает несколько типов клеток, поэтому его каркасная структура также может включать эндотелиоциты, необходимые для роста новых кровеносных сосудов в пересаженной островковой ткани.
Исследовательский совет выделил грант Австралийскому центру передовых технологий в области электроматериалов, который возглавляет профессор Гордон Уоллес (Gordon Wallace), и теперь дальнейшая разработка и улучшение 3D-биопринтера, поступившего в Королевскую больницу Аделаиды, будет проводиться его командой.
3D-печать среднего уха для возвращения слуха
На ежегодном собрании Радиологического общества Северной Америки (RSNA) в декабре 2017 года было показано, как с помощью возможно воспроизводить точные копии среднего уха для возвращения слуха людям. Разработка начала применяться на практике.
Путем преобразования 3D-изображений, сделанных с помощью компьютерной томографии , в напечатанные на 3D-принтере протезы хирургам удалось с точностью поместить четыре имплантата разных размеров в человеческие уши.
| Если предположить, что наиболее вероятная причина неудачного исхода с существующим протезом кроется в неправильной посадке, то возможность создания индивидуального протеза, который сможет в точности заполнить костно-воздушный разрыв, с наименьшей вероятностью приведет к неудаче, - говорит автор исследования доктор Джеффри Хирш (Jeffrey Hirsch), доцент кафедры радиологии Университета штата Мэриленд в Балтиморе, в своем интервью для HCB News. - Наше исследование показывает, что в разных ушах даже на субмиллиметровом уровне присутствуют мельчайшие отличия, которые могут быть с точностью переданы с помощью 3D-моделирования. |
По мнению ученого, данный метод может улучшить хирургическую процедуру, которая часто терпит неудачу из-за неправильных размеров протезных имплантатов. В проведенном исследовании четыре хирурга осуществили введение имплантов в четыре разных средних уха. Все хирурги смогли точно совместить модель протеза с височной костью, содержащей среднюю и внутреннюю части уха. Шансы на такой исход при обычном протезировании равны 1:1296.
Хирш объяснил, что предоставляемая 3D-моделированием возможность видеть комплексные анатомические отношения позволяет выйти на новый уровень изучения, понимания и медицинского планирования.
Следующим шагом для исследователей будет разработка биосовместимого материала. В качестве такой платформы группа исследователей рассматривает использование выращенных стволовых клеток.
Печать мобильного детектора инфекций
В октябре 2017 года группа американских инженеров и ученых разработала новый комплекс для диагностики инфекционных заболеваний «на местах», в которой в качестве детектора используется обычный мобильный телефон и диагностический чип размером с кредитную карточку. Решение создано с использованием технологий .
Низкая стоимость, портативность, а также использование обычного мобильного телефона в качестве детектора делает этот диагностический комплекс незаменимым для диагностики инфекционных заболеваний в условиях ограниченных ресурсов или когда результат диагностики нужен немедленно. Интеграция диагностической платформы с современными мобильными коммуникационными системами позволит осуществлять персонализированное лечение пациентов и мониторинг эпидемиологической ситуации.
При этом время получения результатов диагностики сравнимо с временем проведения аналогичных тестов в условиях стационарной лаборатории - около 30 минут. Для сбора и интерпретации в режиме реального времени изображений ферментной умножающей реакции, которая осуществляется в кремниевом микрофлюидном чипе, служащем для визуального отображения результатов тестов, используется обычный смартфон .
Сам комплекс состоит из обычного смартфона и портативного гнезда-подставки, напечатанной на 3D-принтере и содержащей оптико-электронную «начинку», а также специальный интерфейс для камеры смартфона. Работающее в смартфоне приложение осуществляет сбор результатов проведенных с помощью микрофлюидного чипа тестов и данных о пациенте, которые затем передаются в облачную базу данных.
В ходе демонстрационных испытаний комплекс был использован для качественного и количественного анализа в капли крови инфекций, вызывающих заболевания органов дыхания у лошадей – лихорадки Зика, лихорадки Денге и лихорадки Чикунгунья.
Роботизированная рука, заменяющая сурдопереводчика
В августе 2017 года СМИ сообщили о разработке аспирантов Антверпенского университета (Бельгия), которая сможет облегчить жизнь глухих людей. С помощью 3D-принтера молодые ученые изготовили роботизированную руку, способную выполнять роль сурдопереводчика. Изобретение получило название ASLAN (Antwerp’s Sign Language Actuating Node).
Сурдопереводчики зачастую в дефиците, вот почему и было решено создать недорогую автоматизированную систему, которая сможет переводить текст на язык жестов.
Собранная изобретателями роботизированная рука состоит из 25 пластиковых деталей, распечатанных на 3D-принтере и приводится в действие с помощью 16 сервоприводов, за управление которыми отвечает платформа Arduino, сообщает Tech Crunch. В планах разработчиков - система с двумя роботизированными руками и лицом для передачи эмоций.
Пока существует только опытный образец устройства, но энтузиасты намерены довести проект до конца и сделать материалы своей работы общедоступными, чтобы желающие смогли самостоятельно изготовить робота -сурдопереводчика.
Печать искусственного сердца
В июле 2017 года Швейцарский федеральный технологический институт Цюриха (ETH Zurich) представил искусственное сердце, созданное при помощи трехмерной печати. На момент анонса выполненное из силикона изделие было далеко от стадии коммерческой готовности.
Искусственное сердце весом 390 граммов и объемом 679 кубических сантиметров напечатано на 3D-принтере методом литья по выплавляемым моделям. Левый и правый желудочки разделены не перегородкой, а специальной камерой, наполненной сжатым воздухом. Надуваясь и сдуваясь, эта камера имитирует сокращение мышц человеческого сердца и качает кровь.
К моменту демонстрации искусственного сердца оно поддерживает лишь 3000 ударов, то есть может работать от 30 до 45 минут. Для проверки работы сердца ученые использовали передовую тестовую среду, имитирующую сердечно-сосудистую систему человека, и жидкость, имеющую сравнимую с кровью вязкость. Функционирование приспособления запечатлели на видео.
К 2017 году от сердечной недостаточности страдает около 26 млн человек. Большинство из них безнадежно ждут доноров, которые бы обеспечили им новое сердце. Таким пациентам устанавливают специальные кровяные насосы, которые облегчают работу сердца, однако они могут вызывать серьезные осложнения и не предоставляют пациентам пульс.
Печать яичников
В мае 2017 года стало известно о яичников, которые позволили бесплодным мышам рожать. Ученые намерены тестировать разработку на людях.
Ученые Северо-западного Университета Чикаго создали искусственный яичник, позволяющий полностью восстановить репродуктивную функцию. В ходе эксперимента бесплодной лабораторной мыши был имплантирован протез, созданный с помощью трехмерной печати. Впоследствии мышата (трое из семи) смогли питаться молоком матери и получить здоровые пометы.
Биопротезы яичников состоят из пористого каркаса из желатиновых чернил, который заполнен фолликулами - крошечными содержащими жидкость мешочками, где хранятся незрелые яйцеклетки. Организм мыши-реципиента фактически координировал развитие тканей яичников, и поток крови через поры помог превратить имплантированную структуру в функциональный биопротез.
Впрочем, стоит отметить, что был напечатан не весь яичник целиком, так как он слишком сложный орган. Ученые создали соединительнотканную основу яичника: принтер заряжали желатином, который получали из коллагена, одного из главных белков соединительной ткани – коллаген был в той форме, в которой он обычно присутствует в яичниках животных. Затем в полученную (напечатанную) желатиновую основу погружали мышиные фолликулы с яйцеклетками внутри.
Пока неясно, подойдет ли такой протез человеку, так как женские фолликулы намного больше и растут быстрее. Однако ученые обещают провести исследования, направленные на развитие идеи в человеческом направлении.
2016
Напечатанное на 3D-принтере сердце на чипе
В конце октября 2016 года исследователи Гарвардского университета сообщили о создании первого в мире сердца на чипе, напечатанного на 3D-принтере . Новая разработка позволит проводить связанные с работой сердца эксперименты без участия подопытных людей и животных, говорится на сайте университета.
Результаты самого исследования, проведенного учеными Гарвардской школы инженерного проектирования (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) и прикладных наук и Института биотехнологий им. Виза (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering), опубликованы в журнале Nature Materials.
Сердце на чипе выполнено из полупрозрачного синтетического материала, имитирующего структуру и функции сердечной ткани. В устройстве располагаются микроскопические датчики, способные отслеживать биение при воздействии на чип различных лекарственных средств и токсинов, выделяемых различными болезнетворными микроорганизмами.
Напечатанный на 3D-принтере орган не может служить имплантантом для человека, а предназначен лишь для проведения научных исследований. Благодаря новой технологии можно будет воспроизводить наследственные заболевания в лабораторных условиях с воссозданием клеток конкретного пациента, а также испытывать на искусственно выращенных тканях различные методы лечения, чтобы выбрать наиболее действенный.
Создание 3D-моделей органов перед операциями в Дубае
В октябре 2016 года стало известно о том, что в медицинских учреждениях Дубая появятся 3D-принтеры, печатающие точные макеты органов пациентов, которые предстоит оперировать. Благодаря новой технологии планируется повысить точность и эффективность хирургических операций.
Как сообщает издание Gulf News, все больницы, находящиеся под контролем Управления здравоохранения Дубая (Dubai Health Authority, DHA) на территории Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), будут оснащаться оборудованием для 3D-печати
По его словам, регуляторы ОАЭ работают над тем, чтобы законы соответствовали быстрому развитию технологий объемной печати. Не далек тот день, когда клиенты смогут распечатывать различные предметы в специальных киосках, поэтому очень важно определить четкие правила управления любым видом 3D-печати, добавил шейх.
Использование 3D-принтеров в медицинских целях стало частью стратегии Дубая по развитию 3D-печати, в задачи которой входит превращение города в лидирующий центр этой технологии к 2030 году. Ожидается, что все новые здания в Дубае к этому моменту будут на 25% состоять из деталей, напечатанных на 3D-принтерах.
Создание и вживление 3D-черепа
В апреле 2016 года стало известно о том, что южнокорейские хирурги смогли напечатать на 3D-принтере модель черепа и использовать его на живом человеке. Операция прошла успешно и помогла спасти человеческую жизнь, говорится в публикации на сайте 3Dprint.com.
В больницу при университете Чунан (Chung-Ang University) в Южной Корее поступила 60-летняя пациентка с жалобой на внезапную головную боль. У нее диагностировали субарахноидальное кровоизлияние. После тщетных попыток остановить смертельное кровотечение врачи приняли решение удалить часть черепа, чтобы уменьшить давление на мозг, вызванное его отеком. и создали точную трехмерную копию органа. При помощи специального оборудования модель была распечатана. Ее изготовили из чистого титана, который принято считать одним из лучших материалов для создания имплантов. Этот металл является легким, прочным и инертным, он имеет низкую вероятность отторжения организмом.
Операция по вживлению напечатанного на 3D-принтере черепа завершилась успешно. Профессор отделения нейрохирургии университета Чунан Квон Чжонтек (Kwon Jeong-tek) отметил, что создание синтетических имплантов и металлических пластинок, используемых для соединения костных отломков, давно применяется для замены элементов черепа человека, однако данная технология всегда была несовершенной.
ПО для 3D-печати в медицине
На вебинаре, который провела организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) в конце марта 2016 года, доктор Университета Юты Джастин Крамер (Justin Cramer) перечислил основные программные продукты, которые могут использоваться для трехмерной печати в медицине.
- Horos
. Это бесплатная программа для просмотра рентгеновских снимков, а также изображений, полученных в результате
Напечатанный на 3D-принтере протез руки
- Blender. Это приложение также имеет открытый исходный код, а его одним из главных достоинств является очень активное интернет-сообщество, которое постоянно разрабатывает новые дополнения для этого продукта. Он функциональнее Horos, но труднее в освоении, подмечает Джастин Крамер.
- SketchUp. Программа позволяет моделировать различные трехмерные объекты и имеет достаточно широкие возможности. Для Крамера наибольшую пользу представляет функция конвертирования STL-файлов в формат Collada, с которым совместимо приложение Apple iBooks. SketchUp когда-то распространялся бесплатно, но к апрелю 2016 года он стоит $695. Образовательные учреждения (или те, у кого есть доступ к электронной почте в домене.edu) могут бесплатно скачать специальную версию программы.
- Materialise. Сам Университет Юты, известный своими достижениями в области трехмерной печати, пользуется САПР бельгийской компании Materialise. Речь идет о программе для обработки изображений Mimics и продукте 3-matic. Последний позволяет изменять геометрию, перестраивать сетку и создавать трехмерные текстуры, легкие конструкции и конформные структуры на уровне STL, готовя компьютерные модели для .
При выборе софта для 3D-принтеров Джастин Крамер рекомендует руководствоваться простым правилом: для начинающих подойдут бесплатные варианты, но если планируется создавать точные анатомические модели для профессионального использования, то лучше приобрести мощный платный продукт, поскольку с его помощью можно создавать более качественную модель.
Разработки Университета Юты: дешёвая 3D-печать методом наплавления
В конце марта 2016 года медицинская организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) провела вебинар, в ходе которого радиологи из Университета Юты рассказали о возможностях своей новой лаборатории для . Ее особенностью является использование недорогого оборудования.
Для трехмерной печати было выбрано моделирование методом наплавления (FDM). Технология предполагает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.
По словам доктора наук из Университета Юты Эдварда Квигли (Edward Quigley), метод наплавления является универсальным и дешевым способом создания объемных объектов, именно поэтому его часто используют для разработки медицинских 3D-принтеров начального уровня.
В Университете Юты сконструировали на основе FDM дешевый принтер, позволяющий печатать хрупкие и сложные анатомические модели, применяемые для образовательных целей. Для получения более точных и наглядных прототипов специалисты добавили в оборудование режимы цветной печати. Однако несмотря на все достижения процесс моделирования остается нелегким: очень часто происходит большой сбой, в результате которого 24-часовая печать объекта заканчивается лишь кучей расплавленного пластика, сетует Квигли.
Впрочем, были и успешные эксперименты в университете. Один из них изображен на иллюстрации выше. На картинке слева можно видеть напечатанную на 3D-принтере нейлоновую модель, демонстрирующую шейные позвонки, позвоночные артерии, дуральный мешок и спинной мозг. Справа показана виртуальная версия, на основе которой создавался физический прототип.
Эдвард Квиглин отметил, что 3D-печать может использоваться для проведения исследований, интраоперационного планирования операций, в сердечно-сосудистой и легочной хирургии. Такие технологии особенно полезны в травматологии, а также могут применяться, к примеру, для создания направляющей для биопсийной иглы или направляющей втулки для сверления зубов, добавил он.
4 апреля 2017 года специалисты крупнейших российских медицинских центров и товаропроизводители обсудят стоящие перед ними задачи во время круглого стола «Полимеры в российской медицине и фармацевтике». Круглый стол пройдет в бизнес-клубе «Пальмира» в рамках VIII Российского переработчиков пластмасс. Наиболее важная тема заседания – индустрия имплантатов и 3D-печати, которая меняет качество жизни современного человека.
Накануне этого события организаторы мероприятия подготовили обзор самых примечательных фактов использования 3D-печати в медицинской и фармацевтической деятельности, которые мы с удовольствием публикуем.
Хирургические инструменты
В 2006 г. студенты биоинженерного факультета из Университета Британской Колумбии получили награду за 3D-печать эффективного хирургического эвакуатора дыма. Ранее в трехмерном формате были напечатаны и получили практическое применение щипцы, гемостаты, рукоятки и зажимы скальпеля.
Инструменты выпускаются теперь новым способом серийно, выходят из принтера стерильными и стоят одну десятую часть прототипов предыдущего поколения, выполненных из нержавеющей стали.
Также подобные инструмент применяются, например, в .
Имплантаты костей
Нетрудно представить, что технология 3D-сканирования и печати быстро завоевала сектор краниальных и других имплантатов, изготавливаемых из любых неорганических материалов – сплавов, керамики, пеностекла.
Технология позволяет в режиме реального времени создать контуры отверстия или костного дефекта до операции или же в ходе операции, сразу после удаления поврежденных участков. Затем быстро напечатать имплантат и разместить его точно по контуру отверстия.
В 2013 г. в США была сделана операция, в ходе которой 75% черепа пациента были заменены после двухнедельной работы с отсканированной моделью. Результат повторяет мельчайшие подробности формы.
По данным Oxford Performance Materials, от 300 до 500 человек в США ежемесячно могут стать пациентами, которым требуются подобные операции. К ним относятся жертвы дорожно-транспортных происшествий, военнослужащие и онкологические пациенты с опухолью в черепе.
По данным российского НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, ежегодно в России более 2 тысяч черепно-мозговых травм требуют применения трансплантации, и до 20% этих операций в дальнейшем требуют повторного вмешательства хирургов из-за плохой приживаемости или неправильного расположения имплантата в ткани.
В 2014 г. состоялись первые операции в Китае, в ходе которых пациентам имплантировали напечатанные на 3D-принтере ключицу, лопатку и правую подвздошную кость таза. Показания к операции – раковые опухоли. В том же 2014 г. в США появился первый человек, которому имплантировали коленный сустав, напечатанный по разработке компании Conformis на 3D-принтере. В отличие от серийных стальных и пластиковых протезов колена, этот образец не придется менять через 10 лет эксплуатации.
Одновременно в Британии провели операцию по замене тазобедренного сустава напечатанным 71-летней пациентке.
В 2016 г. учеными Пекинского университета была проведена операция на позвоночнике у 12-летнего мальчика. Позвонок, полученный с помощью 3D-печати, позволил эффективно заменить поврежденный позвонок, точно повторил контуры прилежащих позвонков, кроме того, он превосходит титановые аналоги в прочности и долговечности.
Новый метод позволяет ускорить сроки реабилитации и значительно снижает болевой синдром после операции. Как и обычный позвонок, 3D-аналог является полым в центре, чтобы нервы могли проходить в ствол мозга и соединяться с периферическими окончаниями.
Ушная раковина
Сначала эксперименты в этом направлении вылились в создание бионического уха, которое пока существует отдельно от человека. Устройство, выполненное с участием живых клеток кожи человека, содержит индуктивную радиоантенну.
Концепт создан для апробации использования наноэлектроники в 3D-печати. В 2016 г. Технологическим университетом Квинсленда (Австралия) была разработана технология печати анатомически верных ушей из собственных клеток хрящевой ткани пациента. После нескольких недель выращивания такое ухо хирургическим путем было пересажено 2-летней пациентке.
По планам разработчиков, такое лечение будет обходиться в ближайшем будущем в 200 долларов на каждого ребенка.
В прошлом году подобный эксперимент китайские медики.
Стоматология
Технология 3D-печати в стоматологии используется с 1999 года. Пионер этой области – компания Align Technology, начавшая производство и продажу кап для зубов как альтернативы брекетам.
Что касается протезирования зубов, то 3D удешевило процесс в несколько раз и сделало эту манипуляцию доступной для широких масс населения. 3D-принтеры избавляют стоматологов от сложного и трудоемкого ручного моделирования.
Клиентам больше не нужно проходить сложный процесс от первого визита до установки окончательной конструкции, проходя через череду примерок и доработок. Зубные техники полагались раньше на твердость руки и хорошее зрение, их работа трудоемкая и занимает много времени. Теперь достаточно сделать сканирование ротовой полости – и вскоре получить прекрасный результат.
Уникальную форму каждого зуба невероятно сложно передать с помощью ручного изготовления или фрезерного станка.
Стоматологические 3D-принтеры делают ненужными сложные и устаревшие методы производства. Благодаря новейшим технологиям и самым современным материалам вы получаете готовую продукцию в несколько раз быстрее, чем раньше. Но главное – стоматологические модели, напечатанные на 3D-принтере, в точности повторяют нюансы исходного образца.
Трехмерная печать обеспечивает стабильную точность и выводит стоматологический бизнес на индустриальные мощности. Теперь вы можете использовать снимки и сканирование ротовой полости для быстрого моделирования CAD/CAM и 3D-печати редких ортодонтических инструментов, гипсовых моделей, моделей коронок и мостовидовых протезов.
В 2012 г. состоялась первая операция по вживлению имплантата нижней челюсти, напечатанного на 3D-принтере. Материал – титан. Исполнитель – компания LayerWise. В 2014 г. еще два пациента стали обладателями новой челюсти. Один из них лишился ее из-за опухоли, а второй сломал челюсть.
Российские ученые не отстают от мировых коллег и также печатать имплантаты для стоматологии на 3D-принтере.
Суставы из заполняемого полимера
Исследователи Северно-Западного университета разработали полимерную композицию, которую используют для печати гибкой пористой структуры с внешним контуром заменяемого костного дефекта. Созданные на 3D-принтере пластиковые имплантаты не отторгаются, постепенно заполняются клетками и окостеневают. При этом пластиковая составляющая со временем растворяется.
Новый расходный материал для 3D-печатных костей содержит два компонента:
гидроксиапатит – минерал, который присутствует в обычной костной ткани, обеспечивая её прочность и жёсткость;
поликапролактон – полимер, который не вызывает ответной реакции иммунной системы и широко используется для медицинских целей.
В результате имплантат лишь на 10% объема состоит из растворяемого полимера (остальной объем – полости). Искусственная кость не просто является эластичной и может быть введена через небольшой разрез – её можно растягивать практически в два раза без разрушительного эффекта.
Внутренние органы
Ежегодно в мире выполняется 100 тысяч трансплантаций органов и более 200 тысяч – тканей и клеток человека. Из них до 26 тысяч приходится на трансплантации почек, 8-10 тысяч – печени, 2,7-4,5 тысячи – сердца, 1,5 тысячи – легких, 1 тысяча – поджелудочной железы.
Лидером среди государств мира по количеству проводимых трансплантаций являются США: ежегодно американские врачи выполняют 10 тысяч пересадок почек, 4 тысячи – печени, 2 тысячи – сердца.
В России ежегодно производится 4-5 трансплантаций сердца, 5-10 трансплантаций печени, 500-800 трансплантаций почек. Этот показатель в сотни раз ниже потребности в данных операциях.
Согласно исследованию американских экспертов, расчетная потребность количества трансплантаций органов на 1 млн населения в год составляет: почка – 74,5; сердце – 67,4; печень – 59,1; поджелудочная железа – 13,7; легкое – 13,7; комплекс сердце–легкое – 18,5.
В начале 2017 г. специалисты из американской компании Organovo объявили, что через шесть лет начнут пересаживать пациентам ткани, полученные методом 3D-печати из живых человеческих клеток. Для трансплантации будут создаваться как части повреждённых тканей, так и органы целиком.
В данный момент искусственные ткани, выращенные специалистами компании в лабораторных условиях, используются фармацевтами для тестирования новых лекарственных препаратов. 3D-печатные ткани функционируют так же, как и обычные, и позволяют наблюдать реакцию, характерную для человеческого организма, в отличие от приближенной реакции подопытных животных.
Теперь компания сосредоточила силы на создании жизнеспособных органов, пригодных для трансплантации.
Первыми в сотрудничестве с Королевской детской больницей в Мельбурне будут созданы функциональные и . Метод создания структуры человеческой почки из стволовых клеток уже разработан. В перспективе искусственная почка будет пригодна для трансплантации. Только в США в списке на трансплантацию почек – 120 тысяч пациентов. Основной проблемой технологии в ее нынешнем виде является длительность печати одного органа, измеряемая несколькими месяцами, и кровоснабжение. Каждая клетка в тканях находится рядом с капиллярами, которые печатать пока не научились.
Чуть дальше в данном направлении продвинулись российские ученые. В 2016 году компании 3D Bioprinting Solutions удалось впервые в мире создать с помощью 3D-печати орган – щитовидную железу, которую в дальнейшем пересадили подопытной мыши.
Сердце и кровеносные сосуды
Исследователи из Университета Ростока в Германии, Гарвардский медицинский институт и Сиднейский университет разрабатывают биологические клетки, трехмерный струйный принтер и лазер для восстановления сердца, в частности, наложением полученной 3D-методом органической заплаты. Теми же специалистами создаются искусственные (полученные инструментально из живых клеток или с использованием полимерной сетки) кровеносные сосуды.
Несколько дней назад об изысканиях в данном направлении в США.
Кожа
Группа испанских учёных из Университета Карлоса III (Мадрид), Центра по исследованиям в сфере энергетики, окружающей среды и технологий (CIEMAT), а также мадридского Университетского госпиталя Грегорио Мараньона представила 3D–биопринтер, который способен послойно воспроизводить человеческую кожу, идентичную натуральной. Последнее было доказано гистологическими и иммуногистохимическими исследованиями.
3D–биопринтер использует инжекторы с биологическими компонентами человека и биочернила, запатентованные CIEMAT и лицензированные компанией BioDan Group, которая планирует выводить на рынок данную технологию. Кожа человека печатается слоями, а весь процесс контролируется компьютером. Для печати используются биочернила, содержащие плазму, первичные фибробласты и кератиноциты (клетки эпителиальной ткани) человека.
Поскольку для печати применяются живые клетки, то напечатанная кожа является биологически активной и сама начинает вырабатывать коллаген. В практике ожоговых центров выращивание из собственных клеток пациента кожи in vitro занимает около 2 недель. Новая технология печати на 3D-принтере позволяет решить ту же задачу за 2 дня. В планах научного коллектива – печать трахеи, сердечных клапанов и кровеносных сосудов.
Помощь во время операций
Имея перед глазами объемную 3D-модель, хирургам будет гораздо проще ориентироваться внутри живого человека во время операции. Например, когда операция проходит у двенадцатилетней девочки, чья раковая опухоль признана неоперабельной, так как находилась слишком близко к позвоночнику, а также была окружена здоровыми тканями, органами, венами и артериями.
Опаснейшая операция прошла успешно, поскольку врачи использовали распечатанную 3D-модель и тщательно спланировали все манипуляции.
Кардиологи всего мира собирают сейчас библиотеку 3D-макетов сердец. Распечатанное сердце помогает врачам планировать операцию, ведь одно дело – видеть результаты сканирования, а другое – держать орган в руках в натуральную величину.
Совсем недавно подобная технология была кардиохирургами в Белоруссии.
Печать пористых таблеток
В 2016 г. сотрудники американской фармкомпании «Aprecia Pharmaceuticals» получили разрешение FDA (Food and Drug Administration – управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) использовать технологию 3D-печати для создания лекарственных средств. Спритам (леветирацетам) стал первым препаратом, созданным при помощи 3D-принтера.
Медикамент применяется взрослыми и детьми для предупреждения развития эпилептических припадков. В России леветирацетам входит в список жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов, утвержденный Правительством Российской Федерации.
Новая технология по созданию спритама, носящая название ZipDose, была создана специалистами Массачусетского технологического института. В результате ее применения таблетки состоят не из «спрессованных» лекарственных слоев, а обладают пористой структурой. Этот вид производства позволяет добиться более быстрого растворения и лучшего всасывания лекарственного препарата. Данная методика упрощает прием медикамента для пациентов, имеющих сложности с глотанием таблеток.
Дон Везерхолд, генеральный директор Aprecia Pharmaceuticals, заявил, что технология может использоваться для пациентов, страдающих шизофренией, болезнью Паркинсона и множеством других расстройств.
В Дубае уже всерьез перспективной разработкой.
Борьба с раком
Разработку лекарств против рака осложняет колоссальное количество разновидностей раковых клеток, относящихся как к разным тканям, так и принадлежащих разным особям, а также находящиеся на различных стадиях индивидуальной эволюции.
Удешевить исследование лекарств для конкретных применений позволит 3D-печать тканей из раковых клеток различных тканей и разных пациентов, что позволит в несколько раз сократить сроки исследований, клинических испытаний, их стоимость и, возможно, начать выпуск индивидуальных составов для конкретных пациентов, определить наиболее эффективный препарат не последовательным применением на живом человеке, а in vitro.
Еще больше интересных новостей о 3D-печати в медицинской деятельности вы сможете узнать в специальном нашего портала.
Технологии 3D-печати впервые были применены в стоматологии. В конце 1990-х годов компания Align Technology начала производить капы для выращивания зубов с использованием 3D-принтеров.
Однако первый имплантат удалось напечатать фирме LayerWise лишь в 2012 году. Тогда же состоялась первая операция по вживлению титановой нижней челюсти, изготовленной с помощью 3D-печати.
3D-печать в медицине
Какими достоинствами обладают протезы костей, созданные при помощи технологий 3D-печати? Во-первых, высокая скорость изготовления. Стандартное создание протезов занимает слишком много времени, которого у пациента может и не быть. Печать протезов же происходит довольно быстро.
Во-вторых, малый вес, который также может подвергаться изменениям в ту или иную сторону. Все зависит от степени пористости протезов, которые часто изготавливают из титана. В-третьих, эта самая пористая структура способствует более быстрому обрастанию протезов живыми тканями.
С помощью технологий трехмерной печати врачи успешно устраняют проблемы с межпозвоночными дисками, которые могут появиться из-за активных занятий спортом или по причине возникновения опухоли спинного мозга.
Материалы для изготовления позвонков обладают пористой структурой, поэтому готовые имплантаты быстро зарастают костной тканью и превращаются в полноценную часть человеческого тела.
Единственным недостатком этого метода лечения является довольно продолжительный реабилитационный период.
В 2013 году американские медики впервые провели операцию по замене костей черепа пострадавшего в ДТП. Благодаря титановым протезам, напечатанным на 3D-принтере, удалось заменить 70% черепа пациента!
Считается, что подобные процедуры ежемесячно могут спасать жизни сотен людей, получивших травмы в результате автомобильных аварий и боевых действий. Кроме того, возможно успешное лечение пациентов, страдающих от опухоли мозга.
Импланты и протезы, напечатанные на 3D-принтере, также применяются при операциях на ключицах, лопатках, тазобедренных костях и т.д. Например, не так давно американская компания Conformis впервые вживила пациенту коленный сустав нового поколения.
Раньше для замены коленного сустава долго подбирали протез, а затем обтачивали кость, чтобы внедрение импланта завершилось успешно. Теперь же эта процедура выполняется лишь с помощью компьютерной томографии и печати подходящего протеза.
Напечатанный на 3D-принтере коленный сустав не подлежит обязательной замене через 15-20 лет, что характерно для традиционных пластиковых или стальных протезов.
3D-принтеры используются и для печати объемных моделей внутренних органов человека. Например, перед операцией создается точная копия сердца пациента. Таким образом хирург составляет максимально подробный план предстоящей операции, ориентируясь не только на результаты сканирования, но и на индивидуальные особенности этого органа.
Операции, проведенные с помощью 3D-принтеров
В России
В 2017 году в НИИ онкологии им. Н.Н. Петрова была осуществлена пересадка костного имплантата, напечатанного на 3D-принтере. Группа врачей во главе с профессором Георгием Гафтоном три с половиной часа спасала пациента от раковой опухоли, возникшей в лонной кости.
Вместе нее был установлен имплантат из титана, созданный компанией «Эндопринт» при помощи технологии выборочного лазерного спекания (Selective Laser Sintering). Основой для имплантата послужили снимки МРТ и КТ.
Чуть позже медики из НИИ онкологии им. Н. Н. Петрова провели другую операцию. На этот раз больному пришлось удалить переднюю часть нижней челюсти, которую заменили на титановый протез. За его создание отвечала компания «3D Медицинские системы». Хотя пациенту пришлось пройти трудный послеоперационный период (регулярное ношение специальной маски и питание через шприц), операция была признана успешной.
Интересно, что финансированием подобных операций занимается государство. Так, взрослые пациенты могут рассчитывать на сумму до 800 тысяч рублей, дети ― до 1,6 миллиона рублей.
За рубежом
В 2016 году шведские ученые из Wallenberg Wood Science Centre совместно с профессором Полом Готенхолмом осуществили вживление искусственных хрящевых тканей в организм подопытных мышей. При помощи биочернил Cellink, в состав которых входят бурые водоросли, целлюлозные волокна и клетки человеческих хрящей, исследователи сумели напечатать на 3D-принтере качественные имплантаты.
Внедрение напечатанного хряща в организм подопытной мыши прошло успешно. После этого ученые добавили в состав хряща из костного мозга и повторили эксперимент.
Эти исследования позволили шведам обсуждать возможность проведения клинических испытаний на людях. Вполне вероятно, что хрящи, напечатанные на 3D-принтерах, будут использоваться не только при лечении различных травм и онкологических заболеваний, но и в пластической хирургии.
Перспективы развития 3D-печати в медицине
Ортопедические корсеты
Российское изобретение под названием GS3 ― это специальный ортопедический корсет для спины, созданный с использованием технологий трехмерной печати. Данный корсет предназначен для пациентов, проходящих курс реабилитации после серьезных травм или операций.
Основное преимущество корсета GS3 ― возможность индивидуальной подстройки. Благодаря встроенным гироскопам и акселераторам, работающим через Bluetooth, корсет не сковывает человека в движениях, при этом осуществляя постоянную поддержку спины и поясницы.
Развитие в стоматологии
Использование 3D-печати в стоматологии позволяет создавать качественные и долговечные модели вкладок, накладок, коронок, виниров и мостов для их дальнейшего внедрения в организм. Различные материалы, используемые для печати пломб, не только обладают высоким уровнем биосовместимости, но и могут применяться для лечения слегка поврежденных зубов.
С помощью 3D-принтеров можно моделировать большое количество необходимых объектов за одну сессию. Более того, все напечатанные модели сохраняются в системе и могут быть использованы в будущем, например, для автоматического моделирования зубов.
Печать человеческих сердец
Американская компания BIOLIFE4D на текущий момент занимается созданием искусственных сердец, для печати которых предполагается использовать клетки пациентов. По мнению основателей этого стартапа, трехмерная печать человеческих сердец навсегда решит проблему с дефицитом трансплантатов.
Сердце, напечатанное на 3D-принтере при помощи собственных клеток больного, не будет раздражать иммунную систему и сможет успешно заменить настоящий орган.
Новые технологии позволяют надеяться на колоссальные перемены в области медицины. При помощи 3D-принтеров сегодня создаются разнообразные протезы, имплантаты, фрагменты внутренних органов, костей и т.п. И хотя на сегодняшний день трехмерная печать чаще всего применяется лишь стоматологии и хирургии, не так уж и далек тот день, когда медики получат возможность создавать все человеческие органы и части тела.
Технология 3D-печати появилась благодаря открытию американского изобретателя Чарльза Халла в 1983 году и постепенно распространилась по всем сферам производства.
Применять технологию в мировом здравоохранении начали с 2000-х годов. С тех пор использование трехмерной печати в медицинских целях значительно эволюционировало. Что же произошло за эти 30 лет в индустрии, какие изменения заставили ученых поверить в разрешение сложнейших вопросов медицины?
5 прорывных шагов в развитии 3D-печати
С тех пор мы регулярно встречаем новости об успешных операциях по вживлению имлантатов или трансплантации костей и суставов, напечатанных на 3D-принтере. Сообщения о совместном успехе ученых, докторов и инженеров приходят из Китая, США, стран Европы.
Как развиваются технологии в России?
- Нижегородские врачи приволжского федерального медицинского исследовательского центра (ФГБУ «ПФМИЦ» Минздрава России) в 2016 году провели две успешные операции по вживлению протезов тазобедренных суставов, напечатанных на 3D-принтере.
- Специалисты лаборатории Томского государственного университета изобрели вариант костной ткани на основе фосфора и кальция. Ученые предположили, что созданная из костей животных ткань, а, следовательно, биосовместимая с человеческим организмом, способна со временем заменить титановые имплантаты.
- В клинике при Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете успешно проводят операции с применением смоделированных органов для подготовки к вмешательству при пороках сердца. Теперь для спасения ребёнка вместо нескольких сложных операций понадобится одна - длительная, но менее рискованная.
Продумываем доступ правильный, как выбрать тактику необходимую для данной операции, выбрать тип операции. Потому что при сложных врождённых пороках сердца с непростой гемодинамикой детали имеют колоссальное значение. И правильный подход к операции будет иметь либо положительный, либо отрицательный результат. Евгений Кулемин, кардиохирург
Что такое 3D-печать?
Трехмерная печать, или аддитивные технологии, - способ производства, в котором цельные трехмерные объекты создаются путем последовательного послойного нанесения материалов. Используются пластик, металл, керамика, порошок, жидкости и даже живые клетки.
Аддитивное производство - противоположность субтрактивному производству и традиционным методам, фрезеровке и резке, где облик изделия формируется за счет удаления лишнего, а не послойного соединения материалов.
Этапы создания 3D-объекта:
- Моделирование объекта в компьютерной программе
- Печать
- Пост-обработка
3 преимущества технологии:
Скорость печати, высокая точность и построение объекта в желаемой геометрической форме.
Создание сложных и анатомически точных медицинских структур и воплощение в трехмерные осязаемые объекты стало возможно благодаря переводу данных двухмерных радиографических изображений, таких как рентгеновские снимки, МРТ (магнитно-резонансная томография) или КТ-снимки (компьютерная томография) в цифровые файлы и дальнейшему преобразованию виртуальной модели в цельное трехмерное изделие.
Чем 3D-печать полезна медицине?
За 16 лет применения 3D-печати в медицине врачи во всем мире провели сотни успешных операций, а ученые продолжают исследовать возможности технологии. Западные исследователи назвали 2016 год переломным для аддитивного производства в медицине. Об открытиях, примерах и возможных вариантах использования технологии 3D-печати в здравоохранении мы продолжим рассказывать в разделе