3D-печать в медицине: от открытий к практике

3D-печать в медицине:
от открытий к практике

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

Первые 3D-принтеры.

Вскоре после оформления патента на устройство для 3D-печати, компания Халла 3D Systems выпустила в продажу первый 3D-принтер (1988 г.). В связи с высокими затратами на оборудование сначала право на использование технологии зарегистрировали крупные промышленные корпорации, но вложения быстро окупались, и трехмерную печать стали применять в архитектуре, образовании, картографии и в розничной торговле.

В ходе изготовления небольших пластиковых деталей для будущего прототипа вместо закрепления ультрафиолетовым излучением отдельных тонких слоев фоточувствительных полимеров, Ч. Халл наложил друг на друга тысячи еще более тонких слоев пластика и на каждый такой слой нанес эпоксидную смолу, которую ранее использовал для выполнения покрытий, и уже полученную форму закрепил ультрафиолетом. В результате эксперимента стало ясно, что принцип послойного наложения и склеивания пластика позволит создавать трехмерные объекты любой формы.

Технология впервые применена в медицине.

В 1999 г. группа ученых и врачей института регенеративной медицины Уэйк Форест (США) имплантировали пациенту орган, выращенный в лаборатории на основе клеток самого пациента. Операция стала прецедентом создания с помощью компьютерной томографии и 3D-принтера точной копии органа пациента – мочевого пузыря.

Создана функционирующая печень.

Ученые института Уэйк Форест создали функционирующую печень на основе био-чернил. В этот раз они не просто напечатали базу для наложения живой ткани, а точно воспроизвели ткань печени. Хотя орган не подлежал пересадке, эксперимент стал впечатляющим подтверждением концепции печати органов и тканей.

Изобретены 3D-печатные инструменты для хирургов

С 2006 по 2014 года изобрели и ввели в практику хирургические инструменты: анатомические 3D-модели, учебные пособия, имплантаты и протезы, выполняемые на заказ.

3D-модель для нейрохирургического планирования (Военно-медицинский центр Уолтера Рида). Источник фото: NCBI

Проведена операция по реконструкции лица.

В 2014 году хирурги из Суонси восстановили лицо мотоциклиста, который получил серьезные повреждения в дорожной аварии. Стивен Пауэр стал первым в мире пациентом с черепно-лицевой травмой, для лечения которой на каждом этапе врачи использовали 3D-печать.

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?

  • Высокая точность 3D-печати костей скелета или областей мозга с новообразованиями помогают врачам и студентам медицинских вузов изучать материал, практиковаться и планировать хирургические манипуляции.
  • Изготовление имплантатов и протезов на заказ по индивидуальным анатомическим параметрам пациента упрощает работу врача и повышает приживаемость имплантата или протеза.

Создание новых тканей и органов на основе клеток пациента, или биопечать, дает надежду врачам и пациентам на решение проблемы нехватки доноров и материала для пересадки органов и тканей.

Ухо, выращенное на основе клеток пациента, в лаборатории института Уэйк Форест. Источник фото: National Geographic

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 Новости.

3D печать в медицине-новое измерение

Когда исследователь злокачественных новообразований Розали нажимает Сирс кнопку печати, чернила не ложатся на вместо – бумагу этого ее 3D-принтером создаются человеческие короткое.

За ткани время она создает очень опухоль маленькую – являющейся точной копией злокачественного пациента у новообразования. С этого момента, она и ее коллеги воздействовать могут на печатную копию разными способами рака лечения.

«Надежда состоит в том, что позволит это нам проверить, в режиме реального как, времени опухоль пациента будет реагировать», Розали говорит Сирс, профессор молекулярной и медицинской Oregon в генетики Health and Science University в Она.

Портленде работает только над одним потенциального направлением использования 3D-печати в медицине. Существуют и возможности другие – от протезирования до биопечати клеток, реалистичного органов моделирования, до возможности создания печати имплантируемых Создание.

тканей индивидуальных роботизированных протезов рук и один – кистей из самых разрекламированных способов применения 3D-здравоохранении в печати. Каждый такой протез более чем, функциональный традиционный, а стоит намного дешевле.

«более Это доступно, чем когда-либо, — Терри говорит Ю, ученый и специалист по 3D-печати в Национальном Здоровья Институте.

«И это только начало, — считает инженерии доцент Корнельского университета Ход Липсон, уже автор выпущенной книги «Новый мир 3D-Ассортимент». – печати материалов расширяется, стоимость принтеров наблюдаем, мы падает, как количество приложений увеличивается».

3D помогает печать при операциях с сердцем

Детский Мэтью кардиолог Брамлет уже стал свидетелем печати 3D-преимуществ в детской больнице в Иллинойсе. Там подготовились хирурги к плановой операции, которая была ребенку проведена со сложным пороком сердца, с помощью 3D-его модели сердца.

Каков результат? Более операция эффективная. В одном случае модель помогла разработать хирургам другой способ восстановить сердце 3-мальчика летнего. Он, вместо ожидаемых 20-30 лет жизни, теперь сможет вести нормальную жизнь.

«Модель нам позволяет вытянуть сердце из 2D-изображения, держать руках в его и оценить его в таком измерении, никогда какого раньше у нас не было», — говорит Национальном.

В Брамлет детском медицинском центре в Вашингтоне, Аксель инженер Кригер также использует точные сердец модели пациентов с пороками, используя их в роли методических-учебно пособий. Его команда сделала моделей 40 около сердец, но основной вопрос остается: «улучшают Они результаты хирургических операций?».

Кригер что, считает еще рано делать выводы: «операции Эти очень сложные, и тяжело решить, именно какой эффект имело использование моделей, что потому они –маленький шаг в потоке Розали».

работы Сирс также приветствует возможность рамки за выйти недостатков двух измерений: «Мы можем клетки выращивать опухоли в лаборатории, но это не те условия, в они которых существуют в организме, а реакции в 2D не имитируют те, видим мы что в клинике. Вот почему мы имеем способов тысячи целенаправленной терапии, которые выглядят лаборатории в многообещающе, но их эффективность не подтверждается в клинических исследованиях у Использование».

пациентов мышей – основной инструмент в исследованиях также – рака имеет серьезные недостатки, одним из является которых время. Имплантация и выращивание опухоли у занимает мыши около 6 месяцев. При быстрорастущих новообразованиях злокачественных, таких, как рак поджелудочной пациентов, у железы нет столько времени.

По словам использованием, с Сирс биопечати в течение 2 недель можно будет, определить ли реагировать опухоль на определенное лечение. преимуществом Другим является возможность печати большого идентичных количества опухолей, что позволяет проверить методов несколько лечения одновременно.

«Это очень как, интересно с целью получения пациентом верного так, лечения и для понимания, как опухолевые взаимодействуют клетки с другими тканями», — говорит Сирс.

еще Однако предстоит провести очень много Большой. исследований вопрос: «Будут ли опухоли пациентов лечение на отвечать так же, как 3D-модели?»

Для Липсона Хода такие исследования, которые проводит являются, Сирс только первым шагом в открытии возможностей захватывающих 3D-печати. «Конечной целью является или, биопечать печать с живыми клетками», — говорит он. предсказывает Липсон, что наука выйдет за пределы моделей печатания в ближайшие несколько лет. Следующим будут этапом имплантируемые 3D-печатные ткани.

«Мы будем лестнице по подниматься, начиная с простых тканей, таких, кости как и хрящи, к сложным гетерогенным тканям, из состоят которых функционирующие органы», — надеется Ход считает.

Он Липсон, что скоро можно будет все увидеть больше и больше 3D-печатных имплантатов, которые, таких используются для замены бедренного и суставов других, с измененной формой для улучшения их Ана.

работы Дель Хойо-Хинон родилась с не сформированной полностью правой рукой. Клей Гиллори и команда его за 30 часов разработала, напечатала и собрала новую девочке ярко-розовую руку. Стоимость долларов – 50 проекта. После того, как она писать научится, Ана пообещала Клею написать письмо ему с благодарностью.

В 2014 году немецкие пересадили хирурги напечатанный свод черепа 22-летней августе.

В женщине 2014 года пекинские врачи имплантировали и напечатали первый 3Dпозвонок мальчику Миньяо, удалили которому перед этим часть шейного позвоночника отдела из-за злокачественной опухоли.

Медицина

Озвучьте нам идею

3D печать в медицине

Текущий уровень развития 3Д технологий и их роль в медицине позволяет выделить отдельную ветвь этой сферы – 3D печать в медицине. 3DDevice знает, как использовать 3D принтер в медицине и предлагает такие услуги:

➤3Д печать прототипов и готовых имплантатов с использованием различных технологий и расходных материалов;
➤Изготовление прототипов протезов (стоматологических и не только);
➤Разработка и печать ортопедических корсетов и вспомогательных приспособлений для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата;
➤Создание медицинских 3Д моделей на основе индивидуальных данных (МРТ, 3Д сканирование);
➤Совместное с медицинскими работниками проектирование индивидуальных врачебных приспособлений.


3D печать титаном

Мы решили вынести отдельным пунктом одно из важных применений 3D-печати, которое постепенно получает распространение и в Украине. 3D печать титаном может сыграть значительную роль в создании индивидуальных протезов и имплантатов. Таким образом значительно упрощается процесс проведения операции и уменьшается риск послеоперационных осложнений. Мы предлагаем 3D печать титаном на профессиональных 3D-принтерах по индивидуальным данным пациента. Есть возможность моделирования необходимого изделия на основе данных КТ. Более подробную информацию о проведении подобного проекта читайте в этой статье. 3D печать титаном – это новый шаг в медицине, который может значительно упростить весь процесс лечения.

3D медицина

Вероятно, наибольшее влияние на нашу жизнь может оказать именно 3D печать в медицине. Медицина не стоит на месте, постоянно совершенствуется и развивается. Уже сегодня в этой сфере разрабатываются чрезвычайно перспективные методики, способные полностью перевернуть мир. В основном, это достижения в сфере биопечати – потенциально успешной технологии, позволяющей создавать живые ткани, кости и органы, идентичные человеческим. Но 3D печать в медицине не ограничивается лишь таким применением. На текущий момент доступны и более реальные возможности, которые уже широко применяются по всему миру.

3D технологии в медицине

Не только 3D принтерам находится место в медицинской промышленности: 3D технологии в медицине применяются в полном объеме. Давайте рассмотрим, в каких целях медицинские работники используют трехмерные методики:

➤3D сканирование для определения индивидуальных параметров пациента. Очень популярный подход при разработке имплантатов и протезов в медицине. Значительно упрощает процесс изготовления вспомогательных структур, а также исключает возможность возникновения послеоперационных осложнений;
➤3D печать для изготовления индивидуальных протезов и имплантатов. Уже разработаны универсальные органические материалы, оптимальные для вживления в человеческое тело и прочих применений в медицине;
➤Медицинская визуализация. Результаты 3Д сканирования позволяют наглядно оценить состояние пациента и точнее поставить диагноз;
➤Медицинское макетирование и учебные модели. Напоминает предыдущий подход, но по результатам сканирования строится 3D модель, которая затем воспроизводится на 3Д принтере. Подобные модели широко применяются в медицинских вузах.

3D принтер в медицине

Что бы ни говорили скептики, 3D принтер в медицине – это реальный шанс превзойти все существующие возможности врачей. Причем, речь не только о биопринтерах. В медицине высоко ценятся и обычные FDM/SLA 3Д принтеры. Применение последних особо интересно для стоматологов, ведь эта технология 3D печати является признанным лидером в создании объектов с высокой степенью детализации. В остальном 3D принтер в медицине имеет самые различные применения. Основные из них мы перечислили в предыдущих пунктах.

Для оформления заказа на любую из перечисленных услуг 3Д печати в медицине – пишите нам на электронную почту, или звоните по телефону. Все данные для этого находятся в разделе «Наши контакты».

Хотим напомнить, что в нашем магазине представлен большой выбор 3Д сканеров, 3Д ручек и 3Д принтеров. Кроме того, у нас заказывают:

➤3Д печать;
➤3Д сканирование;
➤Создание изделия по чертежам;
➤3Д моделирование;
➤Разработку 3Д модели по образцу;
➤3Д проектирование;
➤Разработку 3Д модели по фото;
➤Восстановление поврежденных изделий;
➤Изготовление изделия по описанию;
➤Постобработку и покраску готовых изделий;
➤Мелкосерийное производство;
➤Макетирование.

Как 3D-технологии применяются для создания донорских органов и медицинских препаратов

Будущее медицины — за использованием трехмерной печати

Технология изготовления физических трехмерных объектов с использованием цифровых данных — 3D-печать — была впервые разработана Чарльзом Хуллом в 1984 году. Технология была запатентована спустя два года и получила название «стереолитография». После получения патента Чарльз Хулл основал компанию 3D Systems и разработал первый промышленный станок для 3D-печати. Сейчас 3D-принтеры используют в своей работе цифровую модель того объекта, который необходимо создать, после чего печатают его, формируя детали слой за слоем из необходимого материала.

Как напечатать почку и не только

От трехмерного платья до татуировок

Технология 3D-печати применяется достаточно широко: например, в промышленности, для изготовления различных деталей станков и оборудования, в строительстве, в производстве деталей оружия и корпусов экспериментальной техники, такой как автомобили или мобильные телефоны. Особым потенциалом 3D-печать обладает в сфере медицины: специализированные компании создают

3D-принтеры для печати внутренних органов при помощи живых клеток, протезов, а также для производства лекарственных препаратов.

На завершившейся 6 мая в Нью-Йорке конференции TechCrunch Disrupt компания BioBots представила 3D-принтер, печатающий органы человеческого тела, используя в качестве материала живые клетки. Изготавливать полноценные донорские органы он еще не умеет, но образцы напечатанных тканей уже можно использовать во многих экспериментах, которые традиционно проводятся на лабораторных животных. Биопринтер BioBots, разработанный выпускниками Пенсильванского университета, выглядит как типичный 3D-принтер настольного формата и даже сопоставим с ним по цене, которая составляет около $5000. Внешне он также почти неотличим от обычного устройства, изготавливающего объемные предметы:

на стальной раме размещаются блок управления, печатающая головка, регулируемая подставка и набор картриджей. Главная особенность BioBots в том, что печатает он при помощи различных биоматериалов.

Образцы клеток берутся у человека, затем искусственно размножаются и используются как своеобразные 3D-чернила. В напечатанном органе или его части все клетки поначалу удерживаются на месте с помощью микроскопических опорных конструкций — сочетания гидрогеля и тончайших пластиковых нитей. Они выполняют роль «строительных лесов» и питательной среды. Когда клетки установят собственные взаимосвязи, начнут объединяться и взаимодействовать друг с другом при помощи настоящей соединительной ткани, эти инородные включения просто разрушатся кратковременным воздействием лампы ультрафиолетового излучения. Тем не менее в лабораторных условиях не удается воспроизвести клеточный иммунитет, управление многочисленными рецепторами и другие особенности живых систем — именно поэтому создание полноценных донорских органов при помощи трехмерной печати пока невозможно.

Колеса на любой вкус

«Мы напечатаем орган. И мы это сделаем к 15 марта»

Более реалистичным применением 3D-печати в медицине является изготовление таблеток. Ученые полагают, что больше всего от новой технологии выиграют дети: трехмерная печать позволит создавать лекарственные препараты, в точности соблюдая необходимую дозировку. На данный момент это представляет собой значительную проблему. Стив Томлин, фармацевт из лондонской детской больницы Evelina London Children’s Hospital, заявляет: «Эта технология может произвести революцию в наших взглядах на лечение детей. Вес детей разного возраста может варьироваться от 0,5 до 100 кг, а это значит, что им необходимы совершенно разные дозы лекарств, поэтому невозможно выпустить подходящую всем таблетку. Вследствие этого мы прибегаем к препаратам в жидкой форме, хотя

все исследования показывают: четырехлетний ребенок с большей охотой примет таблетку, чем микстуру».

При создании таблетки 3D-принтер использует в качестве «чернил» лекарственное вещество и полимеры, которые смешиваются между собой и слой за слоем формируют таблетку. Помимо точности дозировки и самых разнообразных форм лекарственного препарата (например, для детей можно будет выпускать таблетки в форме животных соответствующего цвета) при помощи трехмерной печати станет возможным обеспечить лучшую степень усвояемости лекарства: International Journal of Pharmaceutics опубликовал статью, авторы которой печатали таблетки парацетамола в форме куба, пирамиды, шара, цилиндра и тора. В результате выяснилось, что быстрее всего растворяется таблетка-пирамида, а дольше всего — таблетка-цилиндр. Помимо прочего, исследователи уверяют: изготовление таблеток при помощи принтера никак не повлияло на их лечебные свойства.

Ребенку распечатали бронх

Несмотря на то что трехмерной печатью лекарств заинтересовались и такие фармацевтические гиганты, как британская компания GlaxoSmithKline, до промышленного выпуска таблеток при помощи 3D-принтеров еще должно пройти 5–10 лет, полагают специалисты. Для этого прежде всего будет необходимо урегулировать вопрос о сертификации лекарств и защите пациентов от подделок. Так, Рикки Уайлдман, инженер из Ноттингемского университета, комментирует: «Никто не захочет, чтобы в частном доме находилась фабрика по производству несертифицированных лекарств. Возможно, необходимо будет сделать так, чтобы все владельцы 3D-принтеров получали на них специальную лицензию».

Костлявый прогресс

Может показаться, что использование трехмерной печати в медицине все еще остается лишь перспективой будущего: есть определенные успехи, но они далеки от применения в повседневной жизни. Однако это не так:

использование 3D-печати для изготовления частей протезов и замены человеческих костей уже абсолютно реально.

В прошлом году «Газета.Ru» рассказывала об уникальной операции, в ходе которой врачи заменили жительнице Голландии поврежденный болезнью череп на пластиковый имплантат, напечатанный на 3D-принтере. Основой для создания трехмерной модели новых костей послужили томографические снимки пациентки. Подобного рода протезы активно применяются и в ветеринарии: недавно ученые спасли жизнь морской черепахи, которая была ранена лодочным винтом и лишилась клюва. Почти мертвую черепаху доставили в турецкий Центр исследования, спасения и реабилитации морских черепах. При помощи медицинской 3D-типографии BTech Innovation для черепахи создали новый клюв из медицинского титана, благодаря чему животное удалось спасти.

Читать еще:  Диастолическая дисфункция миокарда после химиотерапии
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector