Путеводитель по 3D-печати в медицине

В статье пойдет речь о том, как трехмерная печать вышла за рамки образования и науки. Уже сегодня 3D-технологии способны помогать врачам спасать человеческие жизни: обо всех сферах применения 3D-печати в медицине рассказываем в нашем обзоре.

• Перспективы развития 3D-печати в медицине
• 3D-моделирование в медицине
• Технологии выращивания органов и тканей
• Печать человеческих сердец
• На 3D-принтере впервые напечатали роговицу
• 3D-печать среднего уха для возвращения слуха
• Ортопедические корсеты
• В стоматологии
• Печать мобильного детектора инфекций
• Печать яичников
• Череп
• Изобретены 3D-печатные инструменты для хирургов
• Лекарства
• Индивидуальные датчики
• В Испании начинают печатать аппараты вентиляции легких на 3D-принтерах
• HP Inc. начала печатать на 3D-принтерах медицинские изделия для борьбы с коронавирусом
• Медицинские маски в России начали печатать на 3D-принтере
• Больницы в Италии стали закупать печатаемые на 3D-принтере устройства
• Создание 3D-моделей органов перед операциями в Дубае
• Печень

Перспективы развития 3D-печати в медицине

Медицина стала одной из первых отраслей, которая решила использовать потенциал 3D-принтеров в практических целях. Двигаясь от простого к сложному, ведущие медики подбирали способы внедрения аддитивной печати во врачебное дело.

Создатели 3D-принтеров также не стояли на месте, разрабатывая материалы, идеально подходящие для печати зубных имплантатов, протезов, прототипов человеческих органов и даже нашли способ печати биологическим материалом.

Интересный факт: первый имплантат был напечатан в 2012 году корпорацией LayerWise. Тогда же врачи провели первую в мире операцию по вживлению титановой нижней челюсти, которая была напечатана на 3D-принтере.

В наше время трехмерная печать используется практически во всех отраслях медицины: стоматологии, протезировании, хирургии и микрохирургии глаза, гинекологии и многих других.

3D-моделирование в медицине

3D-моделирование в медицине позволяет создавать объемные модели. Технология нашла применение в эстетической стоматологии, онкологии, отоларингологии и других сферах.

Трехмерные модели, напечатанные на основе аддитивных технологий вкупе с компьютерной томографией, стали одним из незаменимых достижений в области медицины. Трехмерные снимки больных органов трансформируются в картинку с высоким качеством, а затем преобразуются в 3D-модели.

Моделирование дает возможность максимально качественно подготовиться к проведению операции и изучить особенности болезни. Например, при подготовке к операции по удалению опухоли врачи тщательно изучают размеры, форму, очертания новообразования в трехмерном измерении, чтобы понять, какую тактику выбрать во время операции.

Подготовка к операциям с помощью 3D-моделирования проводится по следующему алгоритму:

• сканирование нужного органа/опухоли;
• создание программой трехмерного изображения;
• печать прототипа;
• изучение модели;
• выбор методики лечения или операции.

Таким образом, современные 3D-принтеры помогают врачам надлежащим образом подготовиться к проведению операции. Разумеется, технология применяется и в других сферах медицины, но мы решили сделать акцент именно на онкологии, чтобы продемонстрировать, какую неоценимую помощь могут оказать 3D-принтеры в спасении жизней.

Технологии выращивания органов и тканей

Современные технологии дали возможность осуществлять трехмерную печать клеток, биосовместимых материалов и их вспомогательных компонентов с целью дальнейшего создания полнофункциональных живых тканей на их основе. Технология получила название 3D-биопечати, которая нашла свое применение в регенеративной медицине и существенно упростила и удешевила процесс трансплантации жизненно важных тканей и органов.

Биоинженер Томас Боланд в Университете Клемсона в Южной Каролине (США) самостоятельно переделал принтеры Lexmark и HP, чтобы попробовать напечатать фрагменты ДНК человека. Исследование показало, что размер клеток ДНК аналогичен размерам капли стандартных чернил и составляет около 10 микрон. Дальнейшие эксперименты показали, что 90 % клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати. В 2003 году ученый запатентовал биопечать, первая успешная печать произошла в 2006 году.

Первый удачный эксперимент по трехмерной печати человеческих органов произошел в 2006 году. Ученые из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine спроектировали и распечатали семь мочевых пузырей для пациентов-добровольцев.

Ученые-биоинженеры взяли за основу стволовые клетки пациентов, с помощью которых и были напечатаны будущие органы. Образцы ткани доноров, хранящиеся в специальной герметичной камере, экструдером наносили поверх 3D-макета мочевого пузыря, подогретого до естественной температуры тела человека.

Результаты: спустя восемь недель в ходе интенсивного роста клетки начали делиться и воссоздали мочевой пузырь.

В зависимости от выбранного 3D-принтера донорский материал дозированно подается из диспенсера. Данный подход используется для печати мягких тканей, обладающих низкой плотностью клеток. Например, при печати отрезков кожи или мягких хрящей. Метод послойного наплавления применяется при печати костных имплантатов.

Печать человеческих сердец

Группа ученых Высшей технической школы Цюриха Швейцарии в 2017 сделали первое в мире сердце, напечатанное на 3D-принтере, очень маленькое: его прототип весит всего 390 грамм и выдерживает около трех тысяч сокращений, но оно создано из человеческих жировых клеток и соединительной ткани. Прорыв медиков состоит в том, что до них при создании человеческих сердец применяли синтетические вещества.

Ученые из Швейцарии смогли разработать прототип сердца, который будет максимально похожим на человеческий орган. Сердце состоит из двух желудочков, которые разделены специальной камерой, заменяющей сердечную мышцу. За счет воздушного насоса камера сдувается и надувается, позволяя жидкости перекачиваться через сердце.

На 3D-принтере впервые напечатали роговицу

В 2018 году биоинженеры Ньюкаслского университета США взяли за основу стволовые клетки здорового донора роговицы, добавили к ним альгинат, коллаген и создали из этих ингредиентов смесь, оптимально подходящую для печати. Материал получил название «биочернила». С помощью самого простого 3D-биопринтера, имеющегося в арсенале университета, врачи успешно распечатали формы, максимально аналогичные человеческим роговицам. Печать заняла около 10 минут.

Стволовые клетки, напечатанные с помощью биочернил, начали расти, преображаясь в человеческую роговицу. Швейцарские биоинженеры смогли продемонстрировать, что могут напечатать роговицу, которая будет соответствовать уникальным параметрам роговицы человека. Характеристики напечатанной ткани были заимствованы с реальной роговицы. Исследователи просканировали глаз пациента, после чего смогли напечатать роговицу, полностью соответствующую размерам и форме.

3D-печать среднего уха для возвращения слуха

В 2017 году Радиологическое общество Северной Америки, доктор Джеффри Хирш в университете штата Мэриленд в Балтиморе, США. Изображения, полученные с помощью компьютерной томографии, были преобразованы в протезы, распечатанные на 3D-принтере. С их помощью хирурги поместили четыре разных по размеру имплантата в человеческие уши.

В рамках эксперимента четыре хирурга поочередно вводили прототипы в четыре разных средних уха человека. Тот факт, что все врачи смогли идеально точно совместить напечатанный протез с височной костью, поражает: при обычном протезировании среднего уха шансы на удачную операцию сводятся к 1 : 1296.

Ортопедические корсеты

2014 год, Стэнфордский университет, США 3D Systems, Джеймс Полиси, Роберт Дженсен - создали уникальный экзоскелет.

Врачи провели испытания корсета, напечатанного на  3D-принтере , на 22 пациентах, которые проходили лечение в Детской больнице Окленда. Выяснилось, что корсет не просто отлично корректирует сколиоз, но и нравится маленьким пациентам. Кроме того, в 2014 году компания  3D Systems  вновь произвела фурор, продемонстрировав уникальный экзоскелет. С его помощью парализованная девушка смогла встать на ноги.

В стоматологии

1990 год, 2012 год, Align Technology, Layer Wise, США

Первые попытки внедрения аддитивных технологий в стоматологию увенчались относительным успехом. С помощью первых 3D-принтеров ученые смогли напечатать капы для зубов. Ученым понадобилось около 20 лет, чтобы изготовить первый зубной имплантат. В 2012 году была впервые вживлена титановая нижняя челюсть, изготовленная с помощью  3D-принтера для стоматологии .

В наше время трехмерные технологии стали неотъемлемой частью стоматологии: с помощью 3D-принтеров печатают зубные протезы, ортодонтические модели, корректирующие пластины и виниры.

Печать мобильного детектора инфекций

Группа американских инженеров и ученых, США, 2017 год.

Ученые разработали уникальный комплекс для диагностики инфекционных заболеваний. В качестве мобильного детектора используется простой сотовый телефон, в который вживлен диагностический чип.

Мобильный детектор инфекций незаменим в условиях ограниченных ресурсов. Кроме того, система позволяет проводить персонализированное лечение зараженных и осуществлять своевременный мониторинг эпидемиологической ситуации. Время получения результатов аналогично времени проведения подобных тестов в стандартных лабораторных условиях.

Печать яичников

Ученые Северо-западного университета Чикаго, США, 2017 год.

Врачи и ученые разработали уникальный искусственный яичник, который позволяет полностью восстановить репродуктивную функцию женщины.

В рамках данного исследования бесплодной лабораторной мыши был вживлен протез трехмерного яичника, созданный с помощью 3D-принтера. Впоследствии родились мышата, которые не только выжили, но и смогли произвести потомство. Пока неясно, станет ли возможным протезирование такого яичника женщине, так как фолликулы человека растут намного быстрее.

Череп

Врачи из Chung-Ang University, Южная Корея, 2016 год.

Врачи смогли напечатать трехмерную модель черепа и вживить ее человеку. Операция помогла спасти человеческую жизнь: у пациентки была удалена часть черепа из-за отека головного мозга.

Ученые напечатали кусок черепа из чистого титана. Этот материал признан одним из лучших при создании имплантатов. Металл имеет низкую вероятность отторжения организмом.

Изобретены 3D-печатные инструменты для хирургов

Группа ученых, Военно-медицинский центр Уолтера Рида, 2006–2014 годы.

Ученые изобрели 3D-печатные хирургические инструменты, которые до сих пор широко применяются в медицине и образовательном процессе студентов-медиков: анатомические трехмерные прототипы, наглядные учебные пособия, протезы.

Лекарства

Фармацевтическая компания Aprecia Pharmaceuticals, США, 2015 год.

Первым лекарственным препаратом, созданным с помощью трехмерной печати, стал Spritam. Спустя несколько лет в Лондоне появилась британская биотехнологическая корпорация FabRx, внедряющая 3D-печать в изготовление фармацевтических препаратов. Примеров вышло не слишком много, так как существует лишь несколько компаний, использующих аддитивные технологии в фармакологии.

Индивидуальные датчики

Ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе США, 2016 год.

Ученые использовали отсканированные копии сердец подопытных животных для последующей печати трехмерных прототипов, вокруг которых размещали подвижные и гибкие индивидуальные датчики из силикона.

Объемные трехмерные датчики можно снять с напечатанного прототипа и закрепить у человеческого сердца. Такие датчики могут контролировать работу сердечной мышцы с целью предотвращения инфарктов, инсультов и других опасных болезней. И хотя пока индивидуальные датчики используются только снаружи, ученые не отрицают возможности внедрения их непосредственно внутрь тела человека.

В Испании начинают печатать аппараты вентиляции легких на 3D-принтерах

Лаборатория Leitat Technological Center, Испания, 2020 год.

Изобрели недорогой аппарат вентиляции легких, который можно напечатать на 3D-принтере.

Аппарат ИВЛ, напечатанный на 3D-принтере, уже практически готов к массовому производству. Цена устройства составляет около €500. Ученые планируют, что в скором времени им удастся получить одобрение от правительства и наладить производство, обеспечив страну необходимым количеством оборудования.

HP Inc. начала печатать на 3D-принтерах медицинские изделия для борьбы с коронавирусом

Корпорация HP, США, 2020 год.

В рамках борьбы с пандемией коронавируса американская корпорация HP Inc. запустила производство 3D-деталей для аппаратов ИВЛ и другого оборудования, а также товаров первой необходимости, нужных как для простых граждан, так и для медицинских учреждений. Корпорация призвала на помощь своих партнеров по всему миру, чтобы как можно быстрее наладить и оптимизировать массовое производство товаров первой необходимости.

Изделия уже успешно прошли тестирование. Компания выпускает следующие группы товаров: защитные маски, лицевые экраны, фиксаторы для масок, одноразовые тупферы, респираторы, устройства для безопасного открывания окон.

Медицинские маски в России начали печатать на 3D-принтере

Компания Temporum, Россия, 2020 год.

Специалисты компании Temporum разработали собственную технологию печати масок. Изделия создаются по надежной  технологии FDM : модель послойно наращивается из предварительно расплавленного филамента. В качестве пластика компания использует PETG. Это максимально безопасный материал, из которого получаются отличные многоразовые маски. Пользователю потребуется только своевременно менять внутренний фильтр.

Результаты: напечатанные на 3D-принтере многоразовые маски получаются намного выгоднее своих одноразовых аналогов. Учитывая тот факт, что компания рекомендует использовать обычные ватные диски вместо фильтров, покупка такой маски становится весьма выгодной. Сообщается, что Temporum уже ведет переговоры о серийном производстве напечатанных масок.

Больницы в Италии стали закупать печатаемые на 3D-принтере устройства

Больницы северной части Италии, 2020 год.

Когда больницы в Северной Италии ощутили резкий дефицит запчастей для реанимационных аппаратов во время пандемии коронавируса, Массимо Темпорелли, основатель компании FabLab, предложил свою помощь больницам, оставшимся без нужного оборудования. Компания обеспечила медицинские учреждения дешевыми, но качественными дыхательными трубками для аппаратов интенсивной терапии. На помощь FabLab пришла компания Isinnova, которая привезла 3D-принтер прямо в больницу. Спустя несколько часов в распоряжение врачей поступили необходимые запчасти.

В результате около 10 пациентов итальянской больницы выжили благодаря аппарату, клапан для которого был напечатан на 3D-принтере. Если бы компании не пришли на помощь врачам, реанимационную систему пришлось бы отключить, что привело бы к неминуемой гибели пациентов. Другие итальянские компании не остались в стороне: уже сейчас в больницах используются 3D-детали для аппаратов ИВЛ, изготовленные по технологии спекания порошков под действием полимерного лазера.

Создание 3D-моделей органов перед операциями в Дубае

Dubai Health Authority, DHA.

В октябре 2016 года крупные медицинские учреждения Дубая закупили 3D-принтеры. С помощью устройств врачи планировали создавать максимально точные прототипы органов пациентов. Благодаря новой технологии хирурги смогли изучать больные органы перед операцией, повысив эффективность и точность хирургического вмешательства. Более того, уже сейчас большинство больниц Дубая оснащены оборудованием для аддитивной печати зубов, костных протезов и моделей органов человека, которые нужны врачам при подготовке к операциям.

Ожидается, что к 2030 году абсолютное большинство медицинских учреждений Дубая будут оснащены 3D-принтерами. Врачи отмечают, что трехмерные технологии существенно упростили процесс подготовки к операциям и свели к минимуму вероятность врачебной ошибки.

Печень

Ученые из университета Кюсю, Япония, 2017 год.

Японские ученые смогли распечатать на 3D-принтере биотрансплантационную ткань печени, которую успешно пересадили в организм крысы. Врачи уверены, что в скором времени им удастся печатать органы и для людей.

Ученые провели уникальный эксперимент, создав «масштабируемую» печеночную ткань. Для ее создания им потребовалось соединить сотни печеночно-почечных сфероидов, помог им в этом 3D-принтер. Система для фиксации печеночной ткани с помощью игольчатых массивов помогла исследователям обеспечить полноценную циркуляцию крови и кислорода по печени, успешно избежав ишемии органа.

В последние годы аддитивные технологии развиваются с космической скоростью. Если раньше пользователи приобретали 3D-принтер в качестве необычной игрушки, то теперь устройства используются и в медицине, причем таким образом, о котором раньше не могли подумать ни ученые, ни врачи. 3D-принтеры не только упрощают работу, но и помогают медикам спасать жизни. Доказательством тому служит наш обзор: трехмерные технологии используются практически во всех сферах медицины. Возможно, когда-нибудь люди перестанут годами ждать донорских органов, а врачи смогут напечатать нужный прототип прямо в больнице.