Интенсивно развитие принтеров трехмерной печати привело к тому, что печать 3D проникла во все области науки, начиная от изготовления простых пластмассовых деталей и заканчивая применением в медицине. То что еще совсем недавно было фантазией, уже превратилось в реальность. В медицине применение трехмерных технологий развивается сразу в нескольких направлениях:
1. Сканирование органов.
2. Выпуск 3D моделей отсканированных органов. Это позволяет более точно изучить патологию, а также дает возможность попрактиковаться перед проведением операции.
3. Создание имплантов на основе трехмерных изображений пациента с учетом его функциональных особенностей.
4. Создание искусственных костей, тканей, кровеносных сосудов, вен и даже органов пациента.
Перспективы 3D технологий огромны. Стоит учесть тот факт, что они, постоянно совершенствуясь, быстро дешевеют. Использование 3D технологий в медицине позволяет сократить вероятность ошибки до минимума. Это большой прорыв в области медицины. Так, имея макет органа, который предстоит оперировать, хирург может намного лучше подготовиться к проведению операции.
©3dvita.ru
3D технологии: томография
Компьютерная томография 3D технологии – это золотой стандарт диагностирования. Трехмерное сканирование постепенно вытесняет пленочные плоскостные снимки. Такие аппараты обладают высоким потенциалом, активно используются в стоматологических исследованиях, челюстно-лицевой хирургии. Позволяют поставить максимально точный диагноз, что является гарантией полной уверенность в эффективности, качестве медицинских услуг.
3D томография является современным стандартом диагностики, что позволило выйти качеству диагностики и лечения на совершенно новый уровень. Преимущество трехмерных снимков – возможность выявить дефекты, которые часто упускаются в обычных изображениях. Это позволяет определить комплексную морфологию проблемных зон, установить более точное лечение.
3D томография — это качественное изображение, минимум облучения, а также скорость исследования и достоверная диагностика без дополнительных исследований.
3D моделирование в медицине
Трехмерные модели, создаваемые на основе компьютерной томографии в комплексе с трехмерной печатью – незаменимое достижение в области медицины. 3D моделирование в медицине позволяет создавать объемные модели. Трехмерные снимки пациентов, сделанные с помощью компьютерной томографии, трансформируются в изображение с хорошим разрешением, а затем — в трехмерные твердые 3D модели.
Это позволяет более качественно изучить особенности болезни, а также подготовиться к проведению операции. Так, для хирурга важно знать форму, очертания, особенности опухоли в трехмерном измерении, чтобы знать, как лучше действовать во время операции.
С помощью применения 3D технологий сложные операции проводятся по следующей схеме:
- сканирование;
- изготовление пластиковой модели;
- изучение и выбор метода лечения;
- собственно лечение.
3D принтеры используют в сочетании с современными системами проектирования. Так, с их помощью распечатывают клон опухоли перед операцией, чтобы лучше знать, с чем предстоит столкнуться и надлежащим образом подготовиться перед проведением операции.
3D принтер в медицине
Существует несколько примеров использования печати в медицине. В настоящее время трехмерная печать наиболее широко используется в стоматологии, хирургии. С ее помощью можно изготовить цельный имплант, который идеально подойдет конкретному пациенту, а также произвести макет больного органа для проведения более тщательной диагностики и подготовки к операции. Имея в качестве примера огромную 3D модель, хирургу проще ориентироваться во время операции.
3D принтер в медицине позволяет создавать недорогие модели, которые служат для изучения особенностей болезни. Это позволяет провести более успешную операцию, сократить ее время проведения, безошибочно подобрать схему лечения, что в разы ускоряет время выздоровления больного.
Принтеры позволяют распечатать детали больших размеров. Материалы, которые используются для печати для данных целей, не могут быть использованы для внедрения в организм. Но такие макеты позволяют производить медицинские инструменты с учетом анатомических характеристик каждого отдельного пациента.
В настоящее время 3D принтер в медицине также широко используют для изготовления различных искусственных частей тела:
- зубы;
- протезы конечностей;
- слуховые аппараты и прочее.
Технология позволяет создавать с помощью принтера различные протезы, которые идеально будут подходить для отдельного пациента. Трехмерные модели производятся из пластика или металла. Данные материалы контактируют с теплом человека, но не контактируют с кровью. Пластиковые, металлические изделия, активно развиваясь, постепенно проникают внутрь организма. С каждым днем создаются все более разнообразные импланты.
Развитие 3D сканеров влечет развитие 3D принтеров. Врачи готовы печатать не только вены, нервы, но целые органы для трансплантации. Уже сегодня протезы изготавливают не только из титана, но из собственных стволовых клеток пациента.
В протезировании преимущества 3D печати очевидны:
- скорость в сравнении с использованием технологий литья;
- легкий вес протеза, так как его пористость можно корректировать;
- пористость, что позволяет протезу быстрее обрасти живыми тканями.
Перспективы технологий 3D печати в медицине
Технологии 3D печати в медицине совершили настоящий прорыв. Человечество стоит на пороге больших перемен. Сегодня многие пациенты имеют прекрасную возможность воспользоваться результатом такого нововведения. Посредством принтеров можно напечатать не только различные протезы с учетом физиологических особенностей человека, но также живые ткани. 3D технологии также используют для изучения развития различных патологических процессов.
В настоящее время с помощью 3D принтеров создают небольшие фрагменты человеческих органов, в частности печени. Печать на принтере живых органов называется биопечатью. Вместо красок на таком принтере используются различные типы клеток: гепатоциты, клетки эпителия, звездчатые клетки. Первые искусственные ткани, произведенные таким образом, использовались для тестирования лекарств. Интересно, но клетки искусственной ткани выполняют функции печени, производя необходимые вещества.
Применение 3D технологий открывает множество преимуществ:
- совместимость имплатна с конкретным пациентом, чего сложно было добиться в случае с применением моделей, произведенных на контейнере;
- возможность превращения долгой операции в быстрый процесс.
В настоящее время трехмерные технологии уже активно используются в современной медицине. Одно из основных направлений – ортопедия, также это совершенно иной уровень диагностики и качества лечения.
Сегодня 3D технологии в медицине применяются для создания трехмерных снимков, на основе которых производятся точные копии переломов для обучения врачей, а также для изготовления точных моделей протезов. Но применение инновационных технологий на этом не ограничивается. Широкие возможности, которые открыли инновационные достижения, стимулирует двигаться дальше в этом направлении.
Не все части нашего тела имеют одинаковый «срок годности», и все чаще современная медицина преподносит нам образцы искусственных «деталей» взамен поношенных.
Но как совместить изготовленный на конвейере имплантат с всегда неповторимым пациентом?
Как избежать болезненной процедуры подведения человека под искусственные стандарты?
Как превратить долгую операцию в простую и быструю замену «деталей»?
На помощь медицине приходит технология 3-D печати.
Меняю сустав по фотографии
Крупнейшие современные 3-D принтеры позволяют распечатать деталь высотой в человеческий рост. Неудивительно, что технологиям быстрого прототипирования находится применение и в медицине, а именно, – для воссоздания тех частей человеческого тела, которые были повреждены или пришли в негодность.Материалы, используемые в трехмерной печати, не подходят для замены «сносившейся детали» в нашем организме – но эта технология дает возможность создавать медицинские инструменты, которые изготовляются под заказ для каждого пациента, в соответствии с его недугом и анатомическими особенностями.
Такие методы активно воплощаются в жизнь компанией Materialise , успешно сотрудничающей с медицинскими учреждениями разных стран мира. Программное обеспечение, изначально создававшееся программистами компании для моделирования объектов для 3-D печати, сейчас приспособлено к подготовке и планированию операций по замене суставов, челюстей, а в более тяжелых случаях – целых участков лицевого черепа. На входе специалисты Materialise получают снимки отсканированного участка тела, а на выходе в распоряжение хирурга поступают направители для сверл и лезвий, идеально соответствующие анатомическому строению пациента.
Утром – снимки, вечером - план
Одним из первых программных продуктов компании, нашедших применение в медицине, является Mimics – программа, позволяющая превратить набор томографических снимков в трехмерную модель в STL-формате (этот формат 3-D принтер способен преобразовать в реальный объект). На этом этапе осуществляется сегментация, т.е. создание на каждом снимке маски, совпадающей своими контурами с интересующим хирурга участком тела. Затем набор масок пересчитывается программой в объемный «портрет» кости.Ряд операций, таких, как установка имплантата челюсти или коленного сустава, уже не первый год подготавливают инженеры Materialise. Сотрудники компании имеют огромный опыт в этой сфере. Как правило, планирование хирургического вмешательства осуществляется инженерами в специально разработанных программах SurgiCase (в ортопедии) и SimPlant (в стоматологии).
Например, при работе с коленным суставом сотрудник обозначает на трехмерных STL-моделях костей точки и линии, соответствующие осям и направлениям вращения, сгиба и взаимного давления в суставе, подбирает имплантанты необходимого размера, следит за соблюдением всех условий, указанных хирургом. Согласно заданным точкам программа автоматически рассчитывает все параметры, влияющие на размещение имплантатов в колене, и, как результат, находит оптимальное расположение направителей для инструментов хирурга.
Готовый план поступает врачу, для удобства которого создана доступная программа Signature, позволяющая легко просматривать и корректировать параметры будущей операции.
Подписано в печать!
Наконец, вся совокупность данных импортируется в 3-matic – редактор для работы с файлами STL-формата. Программа имеет обширнейшие возможности, в числе которых –приложения, позволяющие, используя точную модель костной поверхности и параметры планирования, создавать направители, которые соответствуют операбельному участку с точностью до долей миллиметра.Из 3-matic-а STL-модели экспортируются в готовом к печати формате, после чего поступают в распоряжение инженеров, отвечающих за его успешное изготовление. Спустя время хирург получает по почте готовые направители – инструменты, позволяющие быстро, точно и безопасно провести запланированную операцию. В дополнение к ним можно заказать и модели самих костей – для предварительного ознакомления.
Это настолько удобно и практично, что многие хирурги постоянно практикуют данный метод – за несколько лет существования проекта сотрудники Materialise подготовили тысячи операций на суставах, а департамент, отвечающий за стоматологическую сферу, был выделен в дочернюю компанию Materialise Dental (жители России, Украины и др. стран постсоветского пространства имеют возможность в прямом смысле соприкоснуться с продукцией компании Materialise – с нами сотрудничают многие отечественные стоматологические клиники).
Продолжение следует
Опыт в сфере ортопедии и стоматологии дает возможность распространять такой подход на другие части тела. На подходе – операции на бедренном суставе, в активной разработке находится технология по установке сердечных имплантатов.Однако программное обеспечение, разработанное компанией, используется не только в подготовке стандартных имплантаций. Средства Mimics`а и 3-matic-а позволяют осуществлять уникальные операции, благодаря возможности воссоздать любой отсканированный участок организма и построить сложнейший 3-D объект, отвечающий этому участку анатомически. Но подробнее об этом – в другой раз.
Даниил Ткачев,
Инженер по качеству Ортопедического направления Materialise
Быть может воображение идейного вдохновителя технологии 3D-печати и рисовало радужные картины будущих перспектив его детища, но вряд ли даже он мог представить все масштабы революционной идеи. С легкой руки разработчиков 3D-принтеры стали способны вмешиваться в творение, созданное самой эволюцией – человеческое тело. Медицина, вооружившись технологией прототипирования, перешла на новый уровень в хирургии и протезировании, существенно улучшив качество создаваемых имплантатов.
Отцом процесса биологической 3D-печати по праву считается Габор Форжак (Gabor Forjak), один из основателей Organovo. Именно его инновационная разработка положила начало сотрудничеству американской медицинской компании с австралийским машиностроительным концерном Invetech. Результатом их совместной работы стал прототип первого биологического 3D-принтера.
На этом устройстве, группа американских медиков под руководством Энтони Атала (Anthony Atala) в 2006 году распечатала несколько мочевых пузырей необходимых для пересадки. Искусственные органы были вживлены семерым пациентам, и продолжают успешно выполнять свои функции на протяжении шести лет. В то время, исходным материалом для печати являлись образцы тканей мочевых пузырей самих реципиентов. Современная медицина исповедует несколько другой подход, используя в качестве «расходников» стволовые человеческие клетки.
Суть 3D-биотехнологии от Organovo
Схожесть предложенной американскими учеными технологии с классической 3D-печатью бесспорна. На первом этапе происходит подготовка исходных материалов. Здесь, как и в 3D-принтере, используются рабочее вещество и материал поддержки. Биологические «чернила» представляют собой измельченную до наноразмеров клеточную ткань реципиента (или его стволовые клетки), помещенную в жидкую питательную среду. В качестве материала поддержки выступает гидрогель на основе коллагена, который не взаимодействует с рабочим веществом, но способен бесконечно долго поддерживать постоянную температуру своей поверхности близкую к нормальной человеческой.
На втором этапе в специальной биокамере из коллагенового геля формируется основание будущего органа, на которое наносится клеточная суспензия. Печатающая головка в таком 3D-принтере состоит из большого количества микроскопических форсунок, способных впрыскивать биочернила на подготовленную поверхность с точностью до нескольких десятков микрон. Затем прототип вновь покрывается слоем материала поддержки.
С течением времени, под действием естественных природных процессов частицы клеточной суспензии начинают сращиваться между собой, образуя новый человеческий орган. В завершении процесса печати застывший гель удаляется с имплантата, который помещается в питательный раствор и подготавливается к трансплантации.
Благодаря 3D-технологии за последние несколько лет медикам удалось успешно напечатать куски кожных покровов, человеческую печень, части кровяных сосудов и даже сердечный клапан. Как отмечает руководитель Института регенеративной медицины Уэйк-Фореста (Wake Forrest, США), уже в следующем году при помощи биопечати врачи смогут заживлять раны непосредственно на теле пациента. Прогресс 3D-печати делает нашу повседневную жизнь все более похожей на голливудский фантастический фильм.
Костная 3D-ткань из Японии
Ученые из страны гейш и сакуры пошли немного дальше своих заокеанских коллег и поставили на конвейер производство протезов по 3D-технологии, создав Токийскую Фабрику костей (Tokio Bone Factory). Специальное программное обеспечение, опираясь на рентгеновские снимки, создает компьютерную модель протеза, а затем готовый проект воспроизводится на 3D-принтере. Материалом для печати служит мелкодисперсный порошок альфа три-кальций фосфата (аТКФ). Прототипирование происходит по 3DP-технологии, а значит необходимо еще и вяжущее вещество, в роли которого выступает полимерный клей на водной основе.
Созданные таким образом кости соответствуют природным аналогам, приживаются без видимых проблем и со временем через них прорастает естественная ткань, полностью заменяя собой имплантат в течение нескольких месяцев. Обычные протезы из гидроксилапатита стоят дороже и гораздо хуже адсорбируются человеческой тканью. Кроме того, прототипированные кости более прочны, но даже их жесткости не достаточно, чтобы выдерживать вес тела человека, а значит применить имплантат из три-кальций фосфата для замены, скажем берцовой кости не возможно.
Студенты-медики изучают «распечатанные» органы
Качественное обучение любого специалиста работающего в области медицины не возможно без большого количества практических занятий. Испокон веков для этих целей использовались мертвые человеческие тела. Истории известен факт, когда группа студентов Чикагского медицинского университета отказалась препарировать в учебных целях эксгумированные трупы.
Специалисты медицинского отдела военного ведомства США впервые предложили использовать в качестве объектов для практических занятий модели человеческих мышц, костей и внутренних органов созданные при помощи 3D-принтера. Сейчас такими «распечатками» снабжены более десяти медицинских ВУЗов страны. Теперь будущие хирурги совершают свои первые настоящие операции на элементах человеческих тел, полученных по технологии 3D-прототипирования. Кроме того, «распечатки» подвергаются любым методам медицинского сканирования (КТ или МРТ), поэтому врачи общей практики смогут оттачивать мастерство диагностики на моделях человеческих органов.
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.
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.