За прошедшие годы 3D печать продемонстрировала колоссальный потенциал для будущего медицины. Она и сегодня продолжает развиваться семимильными шагами.

Как работает 3D печать?

3D печать это инновационный процесс называемый технологией «аддитивного производства», что означает создание трехмерных объектов путем их послойного формирования на основе цифрового файла. Принтер накладывает один слой за другим до тех пор пока не получится полностью сформированный объект. Такая технология позволяет дизайнерам и инженерам создавать детали сложной формы для автомобилей, станков и самолетов за гораздо меньшие деньги и гораздо быстрее, в отличие от других известных на сегодняшний день способов производства. Стремительно развивающиеся технологии позволили вывести 3D принтеры за пределы предприятий в офисы и даже к людям в дома.

Первый шаг в 3D печати это создание 3D модели будущего объекта. Для этого этапа вы можете использовать специальное программное обеспечение для разработки трехмерной компьютерной графики или выбрать уже готовую 3D модель на так называемых 3D печатных торговых площадках. Когда дизайн модели готов, нужно отправить его на печать. Например, на экспериментальный 3D принтер MakerBot. У него на задней стенке есть сменные катушки с нитями из биопластика MakerBot, когда принтер получает данные для печати, он нагревает нить и выталкивает ее через сопла на нагретую поверхность, слой за слоем образуя сплошной задуманный объект. Например, целый дом.

В медицине и здравоохранении 3D печать может не только произвести революцию в создании лекарств и производстве медицинского оборудования, но и предложить новые методы практической медицины, и дешевые и еще более персонализированные медицинские услуги. Предлагаем вам взглянуть на впечатляющий список наиболее перспективных направлений.

Медицинское оборудование быстро и дешево

Ни для кого не секрет, что медицинское оборудование стоит дорого. Согласно данным Ассоциации передовых медицинских технологий 2010 году в США на медицинскую технику было потрачено 150 млрд долларов, грубо говоря, это 5 центов с каждого доллара, вложенного в здравоохранение. Таким образом 3D печать шин и моделей органов, используемых для репетиции операций, или других необходимых медицинских инструментов поможет сэкономить огромные суммы денег. И на рынке уже предостаточно показательных примеров.

Пальцевые шины

Иен МакХэйл, директор старшей школы Штейнерта, разработал 3D модель для производства пальцевых шин. Бюджетный 3D принтер может напечатать такую шину быстро и дешево, вы потратите всего 2 цента и 10 минут на каждую. В развивающихся странах, в которых шины часто закупаются только оптом из-за границы, это может стать прекрасным вариантом для необеспеченных слоев населения. В то же время их легко можно приспособить и для личных нужд.

Модели опухолей

Исследователи из Китая и США создали трехмерные реалистичные 3D модели канцерогенных опухолей, которые существенно помогут в разработке новых противораковых препаратов, а также позволят лучше понять как опухоли развиваются, растут и распространяются.

Как спасаются жизни

Кайба Джионфриддо был рожден недоношенным в 2011 году. Спустя 8 месяцев его отпустили с родителями домой, и хотя развитие его легких несколько отставало, дышал он нормально. Через 6 недель Кайба перестал дышать и посинел. У него диагностировали трахеобронхомаляцию, это значит, что хрящи его трахеи были настолько слабы, что она спадалась. Ему сделали трахеостомию и подключили к аппарату ИВЛ – стандартные методы лечения. Но приступы удушья продолжали повторяться. Тогда врачи решились напечатать на 3D принтере хорошо растяжимую рассасывающуюся трубку подходящего для него размера, к которой пришили спадающийся бронх ребенка. Приспособление помогло ему начать полноценно дышать, а к тому времени как оно рассосется, хрящи мальчика достаточно окрепнут и бронх больше не спадется.

9-ти месячный малыш был рожден в Китае с пороком сердца. Такое редкое заболевание чрезвычайно трудно вылечить. Команда опытных врачей решила создать и использовать полноразмерную 3D модель его маленького сердца чтобы отрепетировать ход сложнейшей операции. В Китае такое делалось впервые. В марте 2016 врачи успешно завершили невероятно рискованную и сложную операцию. Мальчик выжил.

Персонализированные 3D-гипсовые повязки

Напечатанные 3D гипсовые повязки наконец-то изменят способ лечения переломов. В 2014 дизайнеры экспериментировали с 3D-напульсниками, сначала их печатали плоскими и «безразмерными», а после подогрева в горячей воде надевали на руку пациента и подгоняли их точно по ее форме.

Также интересно изобретение Питера Смакмана, голландского выпускника Делфтского технического университета, который придумал 3D-сканер из 32 камер, лазерных указок и компьютера Raspberry Pi. Его система способна точно оцифровывать руку и пальцы для последующего создания идеально подходящего конкретному пациенту гипса, ортеза (медицинские фиксаторы конечностей) или бандажа. Только представьте себе мир персональных продуктов, сделанных специально для вас!

Скотт Саммит, дизайн-директор компании 3DSystems, у которого были постоянные проблемы с запястьем, сделал на заказ 3D гипс, таким образом став, наверное, самым первым пациентом, который смог принимать душ с гипсом, не боясь его намочить.

3D лангеты

Новый 3D стартап испанской компании Exovite может точно отсканировать место перелома, смоделировать и напечатать персональную 3D лангету. Печать занимает всего несколько минут. Система также включает реабилитационный модуль, который стимулирует мышцы электрическими разрядами, ускоряя регенерацию поврежденных тканей и предотвращая атрофию мышц, а решетчатая структура не раздражает кожу, позволяя ей дышать.

Дешевые протезы

Во всем мире около 30 миллионов человек c ограниченными возможностями нуждается в протезах, при этом примерно 80% инвалидов современные протезы не доступны. Создание классических протезов очень трудоемкий процесс, а любые доработки разрушают их первоначальную форму. Исследователи из университета в Торонто совместно с компаниями Autodesk Research и CBM Canada использовали 3D печать для быстрого производства дешевых и персонализированных культеприемных гильз для пациентов из развивающихся стран.

Альтернативное решение пришло со стороны проекта «Обеспечение будущего» (e-NABLING the Future). Этот проект – сообщество увлеченных своим делом волонтеров, которые охотно делятся 3D моделями, обучающими видео и различной информацией о создании протезов верхних конечностей, позволяя добровольцам, врачам и всем заинтересованным лицам, сделать мир лучше, в буквальном смысле подавая нуждающимся руку помощи. Теперь в Чили, Гане, Индонезии и других странах многие дети и взрослые могут похвастаться протезами в стиле супер-героев или более традиционными.

Компания «Невозможное возможно» (Not Impossible labs) сделала кое-что похожее. Она привезла в Судан, в котором после войны осталось много людей с ампутированными конечностями, 3D принтеры, и открыла там 3D лабораторию и учебный центр. Мик Эбелинг, основатель компании, обучал местных жителей как управлять принтерами, печатать и собирать протезы.

Пластиковые 3D имплантаты

Индивидуально напечатать можно не только протезы, но и имплантаты. Это особенно важно для таких редких случаев, как этот. Голландские хирурги заменили череп 22-летней девушке пластиковым напечатанным имплантатом, повторяющим его точную форму. Она страдала редким недугом – утолщением черепа, толщина кости была 5 см, при норме около 1,5 см, и сдавливала мозг. Если бы не пересадка, эта болезнь убила бы ее.

Сердечные имплантаты

Интернациональная команда исследователей во главе с Игорем Ефимовым продемонстрировала новое поколение сердечных имплантатов для ранней диагностики сердечных заболеваний. С помощью компьютерной томографии создается 3D модель сердца, на основе которой затем распечатывается персонализированная 3D мембрана – мягкий, гибкий материал, с точностью повторяющий форму сердца пациента, в который встроено множество датчиков. Готовая  мембрана накладывается на настоящее сердце, которому она идеально подходит. Исследователи оснастили ее беспрецедентным количеством сенсоров, имеются даже датчики температуры, кислорода и давления. Что означает более тщательный мониторинг сердечной деятельности пациентов. Сейчас технология тестируется на кроликах.

3D печать биоматериалов

3D печать стала мощнейшим инструментом в области тканевой инженерии. И не важно о чем идет речь: о крови, костях, сердце или коже. Эта технология потрясает воображение и пугает до чертиков одновременно, когда вы впервые с ней сталкиваетесь.

Кровеносные сосуды

Ученые Гарвардского университета использовали изготовленный под заказ 3D принтер и биочернила чтобы создать образец ткани, состоящей из клеток и внеклеточного матрикса. Этот образец в будущем сможет функционировать как полноценный кровеносный сосуд. Сосудистая сеть обеспечивает непрерывную циркуляцию жидкостей, питательных веществ и факторов роста клеток по всей ткани.

Кости

Профессор Сусмита Босе из Государственного университета Вашингтона модифицировала 3D принтер для связывания химических реагентов в керамическую пудру чтобы создавать разветвленные керамические каркасы, которые обеспечивают рост костей любой формы. Формирование биосовместимого кальций-фосфатного покрытия для имплантируемых материалов дольше сохраняет протезы тазобедренного и коленного суставов. В 2015 Национальный институт здоровья удостоил госпожу Босе грантом в $1.8 млн., что позволит ее команде продолжить работу над улучшением покрытия и усовершенствованием способов интеграции разработанных имплантатов с органической костной тканью. Интегрированные имплантаты с покрытием прослужат, возможно, вдвое дольше чем цементированные имплантаты, прошлых поколений.

Сердечные клапаны

Джонатан Бутчер из Корнельского университета напечатал 3D сердечный клапан, обладающий той же анатомической структурой, что и настоящий.  Скоро его протестируют на овце. Для регулирования плотности тканей клапана он комбинировал определенное сочетание клеток и биоматериалов. Бутчер верит, что в течение следующих 5 лет биопечать получит еще большую поддержку в области тканевой инженерии и медико-биологическом сообществе, а потенциально она может даже задать стандарты качества в сложном процессе изготовления тканей.

Выращивание человеческих ушей

Лоуренс Бонассар из Корнельского университета использовал 3D фото человеческих ушей, для создания ушных форм. Формы затем заполнили коллагеном, содержащим коровьи хондроциты. Коллаген выступает как каркас, который держит форму уха пока клетки наращивают хрящевую ткань. Это просто поразительно! Он создал точную копию человеческого уха! К тому же процесс очень быстрый. Видимо, у тысяч детей с врожденной деформацией ушей (микротией) появился шанс.

Синтетическая кожа

Джеймс Ю в медицинской школе Wake Forest в США и исследователи из университета Мадрида разработали прототип биопринтера, который может создавать синтетическую кожу. Она отвечает всем требованиям для трансплантации пациентам, которые пострадали от ожогов или получили другие травмы кожи. Также ее можно использовать в испытаниях косметических средств, химических препаратов или фармацевтических продуктов.

Синтетические органы

Еще в 2014 компания «Organovo» напечатала на биопринтере человеческую печеночную ткань. Ее можно использовать в фармацевтической индустрии для тестирования лекарств на токсичность, и больше не проводить эти испытания на животных.

Несколько месяцев назад «Organovo» запустила своей второй коммерческий проект – биопечать ткани человеческих почек.

Компания предполагает, что в ближайшее десятилетие мы начнем печатать целые органы, такие как печень, сердце и почки. Сотни тысяч людей во всем мире ожидают донорских органов. Представьте насколько эти технологии изменят их жизнь! Напечатанная печеночная ткань может быть одобрена Управлением по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами (FDA) в 2019 году.

Будущее фармакологии: 3D печать лекарств

В прошлом году FDA одобрило лекарство от эпилепсии (Спритам), которое было создано на 3D принтере. Напечатанная таблетка растворяется быстрее, чем обычные препараты. Представьте насколько ускорится обращение лекарственных средств с такими устройствами в каждой второй аптеке. А что будет если мы сможем печатать лекарства у себя дома на собственных 3D принтерах?

Кронин, химик из университета Глазго, хочет сделать с разработкой и обращением рецептурных препаратов то же, что Apple сделала с музыкой. На конференции TED он описал прототип 3D принтера с функцией сборки химических компонентов на молекулярном уровне. Пациент заходит в онлайн аптеку, покупает по цифровому рецепту нужную 3D модель и необходимые реагенты, а потом просто печатает лекарство дома. А в будущем лучше продавать не сами лекарства, а их 3D модели или приложения. Хотя у такого подхода есть и обратная сторона: недобросовестные граждане могут украсть 3D модели, чтобы печатать у себя дома любые препараты и наркотики, которые они только пожелают. В любом случае, система потребует продуманного и жесткого регулирования.

3D печать стала сегодня одной из самых прорывных технологий, и она действительно может изменить и медицину и здравоохранение, сделав лечение дешевым, доступным и более персонализированным. Когда 3D принтеры станут еще более продвинутыми, печать биоматериалов будет тщательно регулироваться и всему обществу будет понятен принцип работы 3D печати, тогда мы войдем в новую эру. И мы сделаем все, чтобы это скорее произошло.

статья для сайта carence.ru