Аддитивные технологии в медицине: Революция в здравоохранении

В XXI веке в медицине реализовались многие научные идеи, которые когда-то казались фантастикой, - например, роботохирургия или бионические конечности. Немалая заслуга в недавних успехах медицины принадлежит аддитивным технологиям. Сегодня на 3D-принтере изготавливают модели частей тела и протезы, а в обозримом будущем обычной практикой станет 3D-печать искусственных органов и лекарств.

3D-печать, или «аддитивное производство», - процесс послойного создания объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели. Процесс послойного создания твердого объекта осуществлен впервые в 1986 году американским изобретателем Чарльзом Халлом, тогда же им был запатентован метод 3D-печати и была основана компания «3D Systems». Активное внедрение аддитивных технологий в медицине и фармации началось в 2015-2016 гг.

Аддитивные технологии в настоящее время все шире используются в медицине для создания протезов и ортезов, макетов органов и тканей, а также в фармации для производства персонифицированных лекарственных средств.

По данным отчета Wohlers Report, сфера здравоохранения занимает значительную долю мирового рынка аддитивного производства. Один из ключевых факторов в медицине - точность, ведь малейшая ошибка в расчетах может иметь фатальные последствия. И здесь 3D-печать подходит как нельзя лучше, ведь главные преимущества этой технологии - свобода проектирования и высокая точность при создании конечных продуктов.

Рассмотрим подробнее, как именно аддитивные технологии применяются в различных областях медицины.

Преимущества аддитивных технологий для медицины

3D-технологии имеют бесспорные преимущества:

• Высокая точность, позволяющая учесть индивидуальные особенности человека.
• Возможность создания конструкций любой сложности.
• Облегчение веса напечатанных изделий.
• Сокращение сроков производства (в том числе за счет отсутствия оснастки), и как следствие - ускорение оказания медицинской помощи.
• Экономия трудовых и материальных ресурсов.
• Снижение себестоимости изделий.
• Большой выбор инновационных материалов.

Благодаря этим особенностям оборудование можно использовать как в специализированных клиниках, так и в обычных государственных учреждениях.

«Можно сделать индивидуальный протез для каждого конкретного пациента, - говорит Павел Вопиловский, директор НТК «Машиностроительные технологии» СПбПУ Петра Великого, - это наиболее значимый фактор в использовании именно этой технологии (3D-печати - ред.) для медицины. Нет двух одинаковых человек, и, даже если взять тазобедренный сустав, справа и слева, это будут разные кости».

Области применения 3D-печати в медицине

Практикуется печать следующих изделий:

• макеты органов, тканей и костей при планировании операций;
• протезы, имплантаты, хирургические шаблоны в хирургии и стоматологии;
• ортопедические стельки, корсеты и другие ортезы;
• слуховые аппараты;
• мастер-модели для медицинских изделий;
• прототипы корпусов медицинских приборов;
• продукция медицинской косметологии.

Такой обширный перечень позволяет ускорить и упростить процесс изготовления жизненно важных вещей для пациентов.

3D-печать в медицине: будущее уже здесь

Методы аддитивного производства

В статье представлена краткая характеристика методов аддитивного производства: экструзионного, стереолитографического, порошкового, ламинирования и струйного. Выделены наиболее важные в практическом отношении методы SD-печати, такие как экструзионный (FDM), стереолитографический (SLA, DLP), порошковый (EBM, SLM, SLS, DMLS), а также струйный (SDP). Рассмотрим подробнее некоторые из них:

I. Метод послойного наплавления (FDM)

Метод послойного наплавления (FDM) - технология аддитивного производства моделей, протоптипов и готовых изделий из различных полимеров. Печать происходит за счёт экструзии быстрозатвердевающего материала в виде тонких струй либо в виде микрокапель.

Выдавливанием жидкой массы через печатающее сопло, экструдер движется по траектории, соответствующей контурам изделия, что формирует единичный слой. Для печати используют различные полимеры: акрилонитрилбутадиенстирол (ABS-пластик), полилактид (PLA), поликарбонат (PC), нейлон(№у1оп), поливинилацетат(PVA), полиэтилен высокого давления (HDPE), полифениленсульфон (PPSU), полиэтилен-терефталат, модифицированный гликолем (PETG), смеси поликарбоната и ABS-пластика, гибкие полимерные композиции (FLEX) и др.

Из преимуществ данной технологии можно отметить использование в качестве расходных материалов относительно недорогих термопластиков и композитов. Разнообразие материалов для печати предоставляет широкий выбор между определенными прочностными и температурными характеристиками создаваемого объекта. Недостатком метода является ограничение по сложности геометрических форм изготовляемых объектов, ввиду чего для их печати необходимо обязательное применение специальных структур-опор.

В настоящее время FDM-технология нашла широкое применение в стоматологии. FDM-технология нашла применение в 3Б-печати таблеток и капсул с целью получения персонализированных лекарственных средств с контролируемым высвобождением действующих веществ.

Вместе с тем, доказаны и недостатки FDM-технологии, связанные в первую очередь с тепловым воздействием на фармацевтические субстанции в процессе печати.

Существует ряд исследований антимикробной активности дисков, изготовляемых для имплантации с помощью FDM-технологии, содержащих в своей структуре лекарственные средства с антибактериальной и цитостатической активностью (например, нитрофурантоин, гентамицин или метотрексат).

Всё чаще прибегают к 3D-печати в целях планирования хирургического вмешательства благодаря возможности печати любого участка организма с высокой точностью. 3D-модель создаётся на основании данных, полученных с помощью магнитной резонансной томографии (МРТ), компьютерной томографии высокого разрешения (КТВР) и др.

II. Фотополимеризация (SLA, DLP)

Фотополимеризация протекает под воздействием облучения УФ-лазером или иным источником излучения, в точках соприкосновения луча лазера и полимера происходит его полимеризация и формирование твёрдых физических объектов. После фотополимеризации предыдущего слоя рабочая платформа погружается в ёмкость с жидкой смолой на расстояние, соответствующее толщине следующего печатного слоя. Далее поверхность нанесённого жидкого фотополимера выравнивается и процесс печати повторяется.

Из преимуществ технологии можно отметить высокую точность и скорость печати, возможность создания объектов большой геометрической сложности и размеров, простоту в обработке изготовленных изделий, а также низкий уровень шума в процессе печати.

Цифровая светодиодная проекция (DLP) - метод аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий, альтернативный стереолитографии. SLA, как и DLP-технологии, нашли своё применение в челюстно-лицевой хирургии и ортодонтии. 3D-модели костей, коронок, зубных имплантатов и пр.

III. Порошковые методы (EBM, SLM, SLS, DMLS)

EBM-печать происходит в вакуумной камере, в которую подаётся необходимое для печати одного слоя изделия количество материала. Расходным материалом, используемым в EBM-печати, является металлический порошок (например, титан или его сплавы). После разравнивания слоя специальным валиком и удаления излишков порошка происходит сплавление отдельных участков материала с помощью пучка электронов по контуру, тем самым формирется один из слоёв модели. Далее слой опускается вниз на высоту, равную высоте следующего слоя, цикл повторяется необходимое для окончания печати модели количество раз.

Из преимуществ данной технологии можно отметить относительно высокую точность печати, обусловленную применением «магнитных зеркал», корректирующих траекторию пучка электронов, а также высокую производительность и возможность изготовления сразу нескольких моделей за один цикл печати, отсутствие необходимости в постобработке готовых изделий. Благодаря применению вакуума в процессе печати возможна работа с легкоокисляющимися металлами.

Применение титановых сплавов делает возможным применение ЕВМ-технологии в производстве различных медицинских имплантатов. Например, таким образом производят ацетабулярные чашки, коленные суставы и пр.

Выборочное (SLS) и прямое (DMLS) лазерное спекание металлов - методы аддитивного производства, используемые для создания моделей, прототипов и готовых изделий из порошкообразного материала, спекаемого с помощью одного или нескольких лазеров (например, углекис-лотных). Особенностью технологии является то, что при спекании происходит только частичное расплавление металла, необходимое для закрепления формы, но порошок не плавится полностью, как в SLS-технологии.

SLS и DMLS-технологии активно применяются для печати протезов и имплантатов в стоматологии (коронки, зубные мосты, имплантаты) и травматологии (тазобедренный, коленный суставы).

IV. Изготовление объектов методом ламинирования (LOM)

Лист расходного материала с клеевым слоем наносится на рабочую поверхность, далее лазер вырезает контур печатаемого слоя объекта. Лишний материал режется на секции для простоты удаления. Платформа с заготовкой опускается вниз; цикл повторяется необходимое количество раз.

Технология LOM нашла применение для создания прототипов костей, органов, протезов и пр., модели которых получены в результате исследований организма методами МРТ, КТВР и др.

V. Струйная трехмерная печать (3DP)

Струйная трехмерная печать (3DP) - метод аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий, в котором на порошок, наносимый последовательно тонким слоем на рабочую поверхность с помощью печатающей головки, наносится связующий материал, благодаря чему частицы склеиваются между собой и образуют слой будущей 3D-модели.

Преимуществами технологии являются высокая скорость печати, возможность получения изделий сложной геометрической формы при отсутствии необходимости в построении опорных структур, относительно невысокая стоимость расходных материалов, возможность добавления в процессе печати красителей, уплотнителей и пр.

Для осуществления биопечати существует разновидность 3DP-технологии под названием «капельная/струйная печать» или технология «Подача по требованию» (англ.

С помощью 3DP-технологии существует возможность печати таблеток с заданной микроструктурой и текстурой поверхности в процессе их послойного изготовления, за счёт чего реализуется персонализация лекарственного средства и его контролируемое высвобождение.

Также опубликованы данные о возможности использования данной полимерной композиции либо этилцеллюлозы для получения таблеток с модифицированным высвобождением ацетаминофена, покрытых оболочкой.

Полученная авторами лекарственная форма представляла таблетки с жесткой легко смачивающейся поверхностью, а внутри таблеток содержался быстро растворимый порошок.

В работе показана возможность получения таблеток из одних и тех же исходных ингридиентов с моделированием различных механизмов высвобождения.

3D-сканирование и программное обеспечение в медицине

С помощью 3D-сканера можно за считанные минуты получить точную трехмерную модель нужного объекта (кости, стоматологического слепка и т.д.), затем обработать полученные данные в специальном программном обеспечении и напечатать модель или готовое изделие на 3D-принтере, либо изготовить его традиционным способом. При этом отпадает необходимость хранить слепки и образцы - все 3D-модели сохраняются в цифровом архиве. При необходимости их можно оперативно откорректировать и переслать по интернету коллегам в любую точку Земного шара.

Планирование успешной операции с помощью точных макетов

Создание точных 3D-моделей костей, частей тела, тканей или органов позволяет провести наглядную демонстрацию патологий в масштабе 1:1. Врач может точно оценить размер патологии и расположение прилегающих тканей перед началом операции. В случае пересадки трехмерные модели помогают разработать подробные и индивидуальные планы операций и подобрать точно подходящие органы.

Детализированная модель, напечатанная на 3D-принтере, и ее анатомически оптимальное положение помогают хирургу при сверке на всех ключевых этапах операции. Точное позиционирование патологии и кровеносных сосудов в режиме реального времени дает возможность повысить эффективность операции и снизить риски.

Изменение напечатанных анатомических моделей в соответствии с фактическим состоянием органов - один из важнейших методов применения 3D-технологий. Такая возможность не только экономит ценное время хирургов, но и повышает точность прогнозирования болезней.

3D-печать протезов и имплантатов из металла

Для изготовления протезов и имплантатов используются разные технологии и материалы - от пластиков до металлов. 3D-печать металлами позволяет создать изделие с заданной сложной геометрией, идеально подходящее конкретному пациенту. Топологическая оптимизация решает такие важные для протезирования задачи, как:

• создание цельнометаллической конструкции любой необходимой формы;
• облегчение веса протеза;
• повышение прочности изделий за счет микроскопических полостей, которые обеспечивают миграцию собственных клеток костной тканей больного;
• создание протезов с пористой структурой, способствующей более быстрому вживлению.

3D-печать из металлических сплавов (в первую очередь - титановых) используется при протезировании костей челюстно-лицевой области, межпозвоночных дисков, ключиц, коленных суставов, лопаток, тазобедренных костей. В стоматологии эти материалы применяются для изготовления цельных имплантатов, а также металлических основ коронок и мостов из титана, кобальт-хрома и других сплавов.

Наиболее важными особенностями протезов, созданных с помощью 3D-печати металлами, являются идеальная точность их соединения с телом и отсутствие реакции отторжения. Создание протезов на 3D-принтере обходится дешевле и требует меньше времени.

Примеры применения на практике

Реконструкция дефекта скуловой кости по SLM-технологии

Восстановление обширного дефекта скуловой кости - сложная хирургическая операция, в ходе которой необходимо сделать лицо пациента симметричным, пропорциональным и анатомически естественным. 43-летний мужчина обратился в отделение с тяжелым дефектом левой средней зоны лица, который он получил 6 годами ранее в результате автомобильной аварии. Поврежденная кость была восстановлена с помощью индивидуального титанового имплантата, напечатанного на аддитивной установке SLM Solutions. Спроектированный на компьютере имплантат обладал идеальной геометрией, а операция по его установке прошла именно так, как было запланировано. Наблюдение за пациентом в течение следующего года не выявило никаких осложнений.

Результаты применения 3D-технологий:

• отличная биосовместимость и интеграция биоимплантата в ткани;
• уменьшение веса титанового изделия за счет создания его полой версии;
• ускоренная интеграция благодаря наполнению имплантата материалом, взятым из подвздошной кости пациента;
• готовое изделие идеально подошло к поврежденному участку и не требовало подгонки во время операции;
• полное отсутствие осложнений и побочных эффектов после установки имплантата.

Получение таких результатов дала надежду на успешное использование аддитивных установок при хирургических операциях.

Как создавалась точная модель позвоночника и трахеи

Своим практическим опытом применения 3D-печати в медицинских целях делятся специалисты компании ProtoFab. Представители Третьей больницы Пекинского университета обратились в ProtoFab с просьбой создать точную трехмерную модель позвоночника и трахеи пациента для подготовки к предстоящей операции. Вызванные заболеванием осложнения не позволяли хирургу ввести трубку в трахею для выполнения операции. Врачам требовалась модель, с помощью которой они могли бы практически оценить различные способы решения этой проблемы.

Данные компьютерной и магнитно-резонансной томографии были импортированы в специализированное медицинское программное обеспечение, позволяющее преобразовывать все эти данные в 3D-модель.

Изготовление протезов с помощью 3D-технологий

Команде исследователей из Chabloz Orthopédie (Франция) удалось создать уникальный и по-настоящему революционный протез. Компания работала с Дени Готье, у которого было ампутировано предплечье. Сначала специалисты провели 3D-сканирование здоровой руки пациента с помощью сканера peel 3d, чтобы получить ее зеркальное отображение. Это было сделано для того, чтобы спроектированное изделие идеально повторяло пропорции здоровой конечности.

Далее команда приступила к проектированию CAD-модели и разработке миоэлектрического протеза. Аккумуляторы, кабели датчиков и искусственная кисть были интегрированы с изготовленным предплечьем. Сам протез был разработан в САПР и напечатан на 3D-принтере. Для воссоздания различных компонентов предплечья использовалась технология HP Jet Fusion.

Использование трехмерного сканирования и печати гарантирует не только правильную посадку приспособления, но и дает полную свободу движений. Вам известно, что созданные на 3D-принтере детали на 20% легче, чем их аналоги из углеродного или стекловолокна?

Протезирование тазобедренного сустава

Институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена совместно с ЛЭТИ (Санкт-Петербург) провели работу по созданию протеза тазобедренного сустава из титана. На основе КТ был создан пластиковый макет кости. Следующий этап - проектирование имплантата и корректировки по его позиционированию на кость.

Затем, после того как врачи провели планирование операции на макете, протез был напечатан на 3D-принтере.

Печать роговицы глаза

В 2018 году британские ученые впервые смогли напечатать роговицу на 3D принтере. Теперь они могут использовать объёмную печать при изготовлении роговицы глаза из стромальных клеток. Они также создали специальные биочернила, которые состоят их клеток стромы роговицы живого донора. Также в состав входит коллаген и альгинаты. Белок составляет основу.

Аддитивное производство шаблонов

Традиционно для планирования остеотомии используются рентгеновские снимки. Однако на двухмерных снимках не отражается фактическое состояние костей. В связи с этим 60% операций не дают положительный результат. Решить данную проблему помогут шаблоны, напечатанные компанией Materialise.

Тенденции и перспективы развития

Наряду с совершенствованием аддитивного оборудования ведется активная работа по созданию новых материалов для медицинских целей. В 2019 году израильские ученые впервые создали на 3D-принтере человеческое сердце с кровеносными сосудами и клетками. Сделано оно было в миниатюре, но, по словам исследователей, для печати сердца обычного размера может быть использована та же самая технология.