3D печать в медицине нашла свое применение с 2000-х годов. Тогда эта технология была первый раз задействована для производства зубных имплантатов. С течением времени использование 3D-печати в медицинской сфере значительно расширилось.
За последние десять лет в России количество людей, нуждающихся в донорской почке, увеличилось вдвое. В США более 100 тысяч человек ожидают трансплантацию органов. Нынче 3D-принтеры дают возможность создавать сложные многослойные структуры, включая сосуды, кожу, хрящи, суставы и даже органы.
В 2022 году впервые ученые провели успешную операцию по трансплантации органа, созданного с применением технологии 3d-печати. Для 20-летней мексиканки по имени Алекса, страдающей редким дефектом – деформация уха, был создан новый орган – ухо, с помощью использования клеток и тканей самого пациента. Компания 3DBio Therapeutics из США удалила 0,5 грамма деформированного хряща и, используя 3D-принтер и биочернила, создала новый орган за менее чем десять минут.
Таким образом, применение 3d-печати в медицине может быть разделено на несколько широких категорий, включая создание органов и тканей, производство протезов, имплантатов, моделей анатомических, печать инструментов.
Направления применения 3Д печати в медицине
На данный момент аддитивные технологии в области медицины охватывает широкий спектр направлений:
-
Создание различных имплантатов с использованием 3D-технологии.
-
Печать костей с высокой степенью точности.
-
Моделирование внутренних органов человека.
-
Разработка медицинских инструментов, предназначенных для врачей и хирургов.
-
Печать изделий ортопедических, каркасов.
-
Создание анатомических моделей 3Д для образовательных целей и тренировок перед хирургическими операциями.
Применение печати 3Д в медицине позволяет точно моделировать, создавать имплантаты, протезы, прототипы органов с высокой степенью точности. Кроме того, эта технология способствует более эффективному обучению и повышению квалификации специалистов в медицинской сфере, а также облегчает практику и позволяет разрабатывать точные планы для операций.
Подготовка к операциям и обучение студентов
Объемные модели стали бесспорным предпочтением при обучении и тренировке медицинских студентов по сравнению с использованием человеческих трупов. Достоинством применения 3d-печати является не только доступность, но и большие возможности. 3Д модели позволяют воспроизвести разнообразные патологии. К примеру, создание нейроанатомических 3Д-моделей оказывается чрезвычайно полезным в хирургии для будущих нейрохирургов, предоставляя наилучшее представление о структурах организма.
Трехмерные модели, созданные с применением принтеров 3Д на основе результатов образовательных исследований, позволяют учитывать индивидуальную анатомию пациента в процессе тренировочных операций. Имея объемный макет органа пациента, хирург может более детально изучить патологии или провести имитацию операций, а это значительно снижает риск возможных медицинских ошибок.
Биопечать тканей и органов
Изготовление органов и тканей с использованием трехмерной биопечати представляет собой передовой метод в сфере медицины. Этот инновационный процесс позволяет заменить использование традиционных материалов (например, металл или пластик) биологическими чернилами, представленными в виде живых клеток. Таким образом, создается искусственная живая ткань. Вместо использования донорских тканей, этот метод использует клетки стволовые, водоросли морские или коллагеновый белок свиней.
Эти полученные органические материалы представляют собой превосходную альтернативу для донорских тканей и представляют ценный ресурс для ученых, исследователей. Их можно использовать для регенерации тканей, а в дальнейшем и для восстановления органов прямо внутри организма пациента.
3д печать органов может осуществляться по различным технологиям, включая:
-
Струйную;
-
Лазерную;
-
Экструзионную.
Наиболее широко распространенный метод – струйная 3D печать органов, где несколько печатающих головок могут применяться для нанесения разных типов клеток (ткани мышечные, сосуды кровеносные). Эти клетки играют ключевую роль в создании трехмерных биологических структур, что позволяет обеспечить потенциал восстановления органов в будущем.
Печать хирургических инструментов
Хирурги стремятся к проведению операций с минимальным воздействием на пациента, а это часто требует использования персонализированных инструментов. Применение печати 3Д позволяет создавать такие хирургические инструменты всего за несколько часов.
Теперь врач может легко настраивать готовые модели, придавая им необходимые размеры и форму для повышения удобства и эффективности в процессе работы. Например, стоматологи могут создавать индивидуальные направляющие прямо во время обслуживания пациента.
«Печать» лекарств
Технологии трехмерной печати нашли свое применение в области персонализированной медицины и фармацевтических научных исследованиях. С использованием трехмерной печати достигается полный контроль над дозировкой различных препаратов и созданием лекарственных форм с действием пролонгированным. Фармацевты теперь могут анализировать фармакогенетический профиль пациентов, а также прочие параметры.
Аддитивная печать открывает возможность создания для лечения лекарственных средств по новейшим рецептурам. Например, это могут быть сложные, состоящие из нескольких слоев, таблетки.
Протезирование и стоматология
Стоматология, в особенности область протезирования, претерпела революцию благодаря трехмерным технологиям, которые стали значительным прорывом в медицинской продукции.
-
В первую очередь, трехмерная печать позволила проводить максимально точное и детальное сканирование полости рта.
-
Во-вторых, с применением ДД-печати теперь возможно изготовление индивидуальных зубных протезов, полностью соответствующих анатомии пациентов без необходимости проведения подгонки. Это привело к существенному сокращению ручной работы при создании виниров, мостов и коронок, позволяя расширить выбор материалов для протезирования, уменьшить производственные допуски и повысить общее качество работы.
Производство аддитивное применение нашло в медицине, в частности, для разработки сложных серийных изделий, таких как хирургические имплантаты, протезы различной геометрии, вспомогательные конструкции и другие. Создание таких конструкций осуществляется на основе объемных моделей, полученных из компьютерной томографии, МР-томографии или рентгеновских снимков, с последующей печатью на принтерах 3Д, используя специализированное программное обеспечение. Напечатанные на 3d-принтере изделия особенно востребованы в ситуациях, требующих оперативного производства нестандартных протезов и имплантатов. Это особенно актуально для нейрохирургии, где стандартные модели не всегда соответствуют уникальной анатомии пациентов. Ранее врачи вынуждены были подгонять и дорабатывать имплантаты непосредственно в ходе операции, а сейчас это стало излишним. Наиболее важным преимуществом 3Д напечатанных протезов является их идеальное соединение с телом пациента, практически без риска отторжения.
Примеры использования
Примеры использования 3Д печати в сфере медицины – далее в статье.
Печать модели сердца
В Польском университете медицины в Гданьске был применен 3D-принтер для подготовки к операции по лечению порока сердца у четырехгодовалого ребенка. С применением принтера-3Д удалось создать высоко детализированную модель сердца и сосудов пациента, а это стало ключевым моментом в успешной подготовке к операции. Врачи отмечают, что теперь они могут печатать и более детально изучать индивидуальные особенности и деформации, что ранее было трудно заметить. Модель была напечатана за 24 часа.
Искусственные роговицы
В университете в Южной Корее группа ученых представила новый метод создания искусственной роговицы с использованием технологии объемной печати. Используя стволовые клетки и децеллюляризованную строму роговицы, они производили 3D-печать на биопринтере с технологией микроэкструзионной.
Процесс включает изготовление роговицы на принтере и её наполнение биоматериалом, после чего она культивируется в инкубаторе при 37 градусах в течение четырех недель. Полученный материал полностью заменяет донорскую роговицу, обладая ключевым достоинством – совместимостью с тканями пациента. Этот метод, отличающийся от классических искусственных роговиц из полимеров синтетических, предоставляет естественную микросреду глаза, обеспечивая естественную прозрачность. Благодаря этой инновации можно значительно уменьшить сроки ожидания операций на замену роговицы, в то время как сейчас они составляют впечатляющие 6 лет.
Реконструкция уха
С помощью инновационных методов медпрофессионалы способны использовать шприц-дозатор на принтере Rokit Dr. INVIVO 4D Premium для создания гибких структур. Этот подход к 3D-печати находит применение в восстановительной хирургии, особенно при реконструкции хрящей в ухе наружном.
Создание почки с васкуляризацией
Применение принтеров 3Д в медицине дает возможность создавать имплантаты, в том числе из клеток, выращенных у самого пациента. Для разработки васкуляризированной человеческой почки на устройстве Rokit Dr. INVIVO 4D необходимы клетки нефронов почки, желатин-метакрилат, элюирующее средство. В результате создается каркас, содержащий препараты для стимуляции ангиогенеза внутри и препараты для подавления ангиогенеза снаружи.
Производство зубных коронок
Производство уникальных металлических изделий, таких как стоматологические коронки, представляет собой распространенную задачу в сфере стоматологии. Принтер 3Д упрощает, ускоряет данный процесс. Работая на основе SLM, аппарат способен напечатать более 150 коронок из металла всего за 3 часа.
Производство импланта черепного
Производство индивидуальных костных титановых имплантатов из титана представляет собой создание уникальных изделий. В таких ситуациях принтеры 3Д с СЛМ проявляют свои преимущества. Специалисты могут получить имплант нужной формы с высочайшей точностью всего за несколько часов.
Печать стоматологических оттисков
Принтер 3Д предоставляет возможность изготовления стоматологических оттисков для ортодонтии. Одним из значительных преимуществ этого метода является сокращение времени взаимодействия с пациентом. Создание 3D-модели с использованием объемного сканера занимает всего 1 минуту. На основе этой модели производится печать пластикового прототипа, который используется ортодонтами в дальнейшей практике.
Печать протезов
Применение принтеров ФДМ становится неотъемлемым решением, когда требуется упростить и снизить затраты на создание уникальных протезов. В рамках специальной программы для пострадавших в ходе войны в Сьерра-Леоне была внедрена технология печати 3Д протезов для конечностей. Дизайнер из Канады, Альберт Фанг, разработал КАД-модель протеза, которую местные врачи адаптируют под индивидуальные потребности пациентов в Африке. Стоимость такого протеза составляет всего $50, а это существенно дешевле по сравнению с альтернативными методами.
Разработка протезов
Использование 3D-сканирования позволяет существенно сэкономить время: в традиционном методе получения данных для создания протеза требуется использование гипсовых оттисков, и для минимизации ошибок необходимо провести 10 оттисков. Это занимает время на то, чтобы гипс застыл на ноге пациента, а затем ещё больше времени на обработку оттисков. Весь предварительный процесс в данном случае занимает около двух рабочих дней.
Печать модели СС-системы
При выявлении данных заболеваний часто специалистам достаточно выполнить КТ и МРТ сердца для подбора лечения. Но при обнаружении редких болезней риск ошибки очень высок. Поэтому нужно детальное изучение программы лечения. В Гданьске для сложнейших случаев применяют 3D-принтер. Аппарат, использующий технологию SLS, предназначен для создания объектов с высочайшей точностью.
Печать медицинского экзоскелета
Бюро BGD studio представило модель поддерживающего экзоскелета. Отдельные компоненты этого устройства были изготовлены с использованием принтера 3Д с СЛС. Выбор в пользу СЛС-принтера обусловлен сложнейшей внутренней конструкцией экзоскелета. Применение технологии SLS позволяет избежать необходимости печати поддержек и последующего их удаления, при этом обеспечивая высокую точность и качество изготовленного изделия по более доступной стоимости, в сравнении с альтернативными технологиями печати 3Д.
Заключение
Внедрение технологий аддитивных в медицину происходит настолько стремительно, что представляет собой настоящую революцию в области здравоохранения. Эта инновационная практика не только открывает путь к индивидуализированным препаратам и медицинским изделиям, но также существенно улучшает экономическую эффективность и производительность медицинского труда. Медики получают новые возможности для более точных, персонализированных подходов к лечению.
|
|
|
