3D технологии в медицине: от прототипирования до создания протезов

Медицина стала одной из первых сфер деятельности человека, в которой 3D принтеры начали использоваться в практических целях. Постепенное движение от простого и сложного позволило исследователям и докторам подбирать оптимальные способны внедрения технологий аддитивной печати во врачебное дело. Не стояли на месте и разработки специализированного оборудования, они также активно создавали материалы, которые оптимально подходили бы для изготовления протезов, зубных имплантов и даже прототипов человеческих органов.

Это интересно! Официально первый имплант был напечатан в далеком 2012 году компанией LayerWise. Некоторое время спустя врачами была проведена первая в мире уникальная операция по вживлению пациенту нижней челюсти, напечатанной на 3Д-принтере.

Сегодня трехмерные технологии применяются практически во всех отраслях медицины — протезирование, хирургия, стоматология, гинекология, микрохирургия глаза и т.д.

Плюсы использования 3D принтеров в медицине

Медицинская 3Д печать обладает следующими преимуществами:

• значительная экономия трудовых ресурсов и материалов, за счет чего снижается себестоимость готовых изделий;
• технология позволяет изготавливать конструкции практически любой сложности и формы с заданными геометрическими параметрами (ширина, длина, объем и вес);
• высокая скорость печати;
• точность и детализация, учитывающая анатомические особенности конкретного больного;
• сокращение сроков производства, а следовательно, возможность своевременного оказания необходимой медицинской помощи.

Существование огромного количества высокотехнологичных материалов позволяет изготавливать методом 3D печати практически любые расходники, импланты и инструменты.

5 основных направлений применения 3D печати в медицине:

1. Массовое производство хирургических и других медицинских инструментов. С помощью трехмерной печати становится возможным изготовление за считанные часы индивидуальных шаблонов и инструментов, учитывающих анатомические особенности человека. Такой подход обеспечивает минимальную травматичность оперативных вмешательств. Кроме того, с помощью аддитивных технологий можно осуществлять доработку уже существующих инструментов, придавая им более удобные размеры и формы, что делает работу хирурга более безопасной и эффективной.

Например, во многих зарубежных клиниках врачи — стоматологи прямо при пациентах создают направляющие инструменты, обеспечивающие максимальную защиту зубов пациента, в процессе установки протезов.

• Протезирование и стоматология. Внедрение трехмерных технологий стало самым настоящим прорывом в стоматологии. Во-первых, с их помощью выполняется точное и подробное сканирование ротовой полости. Во-вторых, 3Д печать применяется для создания зубных протезов с учетом анатомии пациентов. В-третьих, аддитивное производство способствует сокращению ручного труда при работе над мостами, коронками и винирами, расширению перечню доступных для протезирования материалов.

Например, 3D технологии широко используются для изготовления зубных протезов и ортодонтических моделей. С их помощью возможна печать титановых челюстей.

• Подготовка к оперативным вмешательства и обучение студентов

Трехмерные модели, напечатанные на принтере, по результатам диагностических исследований, позволяют максимально полно учитывать анатомию больных при подготовке к сложным операциям. С помощью осязаемого макета хирург может более тщательно изучить патологию, тем самым снизив риск появления врачебных ошибок.

Например, несколько лет назад швейцарские ученые создали прототип человеческого сердца, который в деталях повторяет человеческий орган. Он состоит из двух желудочков, разделенных камерой, заменяющих сердечную мышцу. Благодаря специальному воздушному насосу камера надувается и сдувается, за счет чего жидкость прокачивается через сердце, достоверно имитируя его работу.

• Изготовление тканей и органов. Биопечать, с полным правом считается одним из самых революционных направлений в медицине. Для решения поставленных задач вместо пластика или металла в принтерах применяется шприц-дозатор, который наносит уникальные тканевые сфероиды (биологические чернила). То есть фактически принтер слой за слоем создает из структурирующей базы или живых клеток полноценную ткань. Для биопечати отдельных органов и имплантов используются морские водоросли, стволовые клетки или свиной коллагеновый белок. Полученные в итоге органические материалы являются отличной альтернативой стандартным донорским тканям. В перспективе данная технология может использоваться для полного восстановления поврежденных в результате болезни или травмы органов.

Например, струйная 3Д печать позволяет использовать несколько печатающих головок для одновременного нанесения разных типов клеток (органоспецифических, клеток, из которых состоят мышечные ткани или кровеносные сосуды). Еще одним интересным вариантом применения биопечати также стало создание в 2018 году исследователями Ньюкаслского университета США, роговицы глаза. Для этого ими были произведены специальные биочернила из стволовых клеток здорового донора, коллагена и альгината. 

• Производство лекарственных препаратов. 3Д технологии также получили применение и в фармацевтических исследованиях. У ученых появилась возможность более точно и эффективно оценивать фармакогенетический профиль больных, рассчитывать состав и дозировку лекарственных форм с учетом их пола, возраста и массы тела. Аддитивная печать также позволяет выпускать персонализированные многослойные капсулы и таблетки по новейшим рецептурам из нескольких активных компонентов.

Например, первым лекарственным препаратом, напечатанным на принтере стали таблетки Spritam (2015 год). Через несколько лет в британская корпорация FabRx объявила об изготовлении фармпрепаратов с помощью трехмерных технологий.

Принимая во внимание очевидные достоинства 3D-печати, мы можем с уверенностью говорить о том, что в ближайшем будущем эта технология станет неотъемлемой частью большинства сфер медицины. И вполне возможно, что уже очень скоро, человеческий желудок или сердце, напечатанные на принтере, будут восприниматься окружающими, как нечто само собой разумеющееся, как например, деревянная нога Джона Сильвера в девятнадцатом веке.