Технология трехмерной печати уже обладает значительным потенциалом в сфере медицины, позволяя создавать высокоточные модели человеческих органов и разные инновационные имплантаты. В настоящее время разработчики активно стремятся к достижению возможности биопечати функциональных органов в режиме реального времени. Так, группа исследователей из Университета Миннесоты представила проект первого в мире бионического глаза, изготовленного методом 3D-печати, что открывает новые перспективы для пациентов с нарушениями зрения. Кроме того, компания smartARM получила признание на международном конкурсе Microsoft Imagine Cup за разработку самообучающегося роботизированного протеза руки. Параллельно с этим, было объявлено о создании специализированного 3D-принтера для печати сахарных структур, предназначенных для культивирования тканей и исследования онкологических заболеваний.

При помощи сахарного 3В-принтера будут печатать органы

Это разработка Университета штата Иллинойс (University of Illinois). На рынке уже можно встретить 3D-принтеры, способные печатать объекты из сахара. В отличие от этих устройств новое оборудование использует изомальт — заменитель сахара, получаемый из свеклы и обычно встречающийся в леденцах от боли в горле и кашля.

3D-печать с использованием сахара становится сложной, когда речь идет о регенерации сердечной ткани. Слишком большое давление приводит к потере формы структуры, а чрезмерное количество тепла приводит к кристаллизации или сжиганию ткани. Изомальт менее подвержен кристаллизации, чем обычный сахар, и не подвержен обесцвечиванию при растворении.

Профессор Рохит Бхаргава, который работает в центре лечения раковых опухолей в Иллинойсе, говорит, что уникальный метод позволяет производить конструкции из тонких трубок с круглым поперечным сечением. Ранее это было невозможно для полимеров. Растворимый же сахар помогает создавать цилиндры и туннели, которые напоминают кровеносные сосуды. Именно по этим сосудам можно транспортировать питательные вещества к тканям или клеткам. Разработка нового метода также позволит создавать каналы в микрожидкостных устройствах.

Технология Университета штата Иллинойс может найти применение в таких областях, как медицинские исследования, биомедицинская инженерия и производство. Эксперты надеются, что через какое-то время их 3D-принтер сможет печатать человеческие органы с нуля.

На 3D-принтере впервые напечатали роговицу

Стало известно о первом создании роговой оболочки глаза при помощи 3D-принтера. Этим достижением смогли похвастать в Университете Ньюкасла (Newcastle University). По словам исследователей, теперь они могут использовать объемную печать для формирования роговиц из стромальных клеток для каждого человека.

Как сообщает издание Financial Times, сотрудники Университета Ньюкасла создали специальные биочернила, состоящие из клеток стромы роговицы живого донора, альгинаты (полисахарида) и коллагена — белка, составляющего основу соединительной ткани организма. Загрузив это вещество в обычный 3D-принтер, удалось напечатать здоровую роговицу всего за 10 минут. Причем после печати жизнеспособными оставались более 90% клеток, а на седьмой день — 83%.

Состав чернил должен быть пластичным, но вместе с тем достаточно жестким, чтобы готовая роговица сохраняла форму. Также важно, чтобы клетки оставались живыми. До сих пор ни одной научной группе не удалось совместить все три условия. Но теперь у нас есть готовые к использованию биосодержащие стволовые клетки, — сообщил профессор кафедры технологий тканевой инженерии Че Коннон (Che Connon) из Университета Ньюкасла, который руководил работой по 3D-печати роговиц.

Эта наиболее выпуклая прозрачная часть глазного яблока может пострадать от инфекций, ожогов, механических травм и других причин. Около 10 млн человек по всему миру нуждаются в пересадке роговицы, чтобы избежать потери зрения, а еще 5 млн человек уже ослепли, но имеют шанс восстановиться после такой трансплантации. К сожалению, донорского материала всегда не хватает, но разработка ученых Университета Ньюкасла может решить эту проблему. Правда, технология еще должна пройти клинические испытания, а до массового использования может пройти около 5 лет, считают исследователи.

Портативный 3D-принтер для печати искусственной кожи прямо на человеке

Исследователи из Университета Торонто представили портативный 3D-принтер для печати кожи, предназначенный для лечения глубоких ожоговых ран. Группа исследователей отмечает, что это первое устройство, которое формирует и располагает распечатанный образец ткани непосредственно на месте ожога всего за пару минут. Подробнее здесь.

ПО для 3D-печати органов с использованием искусственного интеллекта

Производитель биологических 3D-принтеров Aether объявил о выпуске программного обеспечения для медицинской визуализации на основе искусственного интеллекта (ИИ), которое значительно продвинет разработку 3D-печати органов. Новое Automatic Segmentation and Reconstruction (ASAR) поможет врачам и исследователям повысить производительность путем автоматизированной сегментации органов и тканей.

Больницы экономят десятки тысяч долларов за счет 3D-печати

В Северной больнице Манчестера (NMGH) открылась лаборатория 3D-печати для помощи специалистам по челюстно-лицевым хирургии в лечении и реабилитации пациентов после с раком головы и шеи, лицевой травмой или врожденными аномалиями. Лаборатория была создана специалистом по реконструктивным технологиям Оливером Берли (Oliver Burley), который обосновал экономические преимущества 3D-лаборатории для больницы, а также провел сбор средств на саму лабораторию, программное обеспечение и 3D-принтер PolyJet (стоимостью $ 42000). В настоящее время в штате лаборатории состоят три специалиста, которые работают с девятью консультантами по челюстно-лицевой хирургии.

Получив степень магистра в области реконструктивных технологий, в курсе которых изучалось применение трехмерной печати, Берли представил руководству больницы Манчестера экономическую модель 3D-лаборатории. Первым аргументом в ее пользу стала экономия средств, поскольку больница ежегодно тратила $ 166 000 на проекты по 3D-печати. В среднем больница сталкивается с 20 случаями рака и 8-10 травмами ежегодно, и проведенный на основании этих данных анализ показал, что обслуживание собственной 3D-лаборатории обойдется дешевле. Хотя больнице приходится оплачивать лицензирование лаборатории, эта сумма остается фиксированной и не зависит от объема проделанной работы. Вторым аргументом стала экономия времени хирургов, которые могут использовать 3D-модели при планировании операций. Наконец, последним аргументом стало сокращение времени доставки 3D-моделей от производителя.

В качестве программного обеспечения для моделирования был выбран Materialize Mimics Innovation Suite, а для создания моделей реконструкции костей черепа челюстных остеотомий был взят ProPlan CMF; стоимость ПО составила около $ 25 000. Берли отмечает, что 3D-модели используются больницей почти в каждом случае рака головы и шеи; он уверен, что через пять лет лаборатория 3D-печати станет обязательным приложением центров лечения и реабилитации онкологических пациентов.

В основном лаборатория работает с пациентами, имеющими рак головы или шеи: им требуются реконструктивные операции, в том числе на основе костных трансплантатов для реконструкции верхней или нижней челюсти. Голова пациента сканируется, а затем создается виртуальная трехмерная модель. Хирурги и специалисты лаборатории могут рассмотреть различные виды реконструктивных операций и устройств в виртуальной реальности, прежде чем перейти к стадии проектирования. Разработанные протезы, стержни или пластины печатаются на 3D-принтере с использованием металлических или пластмассовых смесей. Заключительный этап проекта предполагает, что полученная модель стерилизуется и передается хирургам. Благодаря широкому спектру инструментов лаборатория принимает и другие заказы и уже используется ортопедами, неврологами и ревматологами.

Государственная служба здравоохранения Великобритании добилась значительных успехов в трехмерной печати – так, в Уэльсе недавно создали первый в мире комбинированный костный трансплантат и представили трехмерную модель операции. Специалисты отмечают предпосылки того, что трехмерная печать все чаще будет использоваться в здравоохранении. В Бристоле открылся новый исследовательский центр Bristol Biomedical Research Center (BRC), в котором предполагается изучать технологии тканевой инженерии путем биопечати. Новые разработки будут основаны на данных существующих исследований сердечно-сосудистой системы и 3D-печатных сердечных имплантатов.

Напечатанные на 3D-принтере конечности вставляют беженцам из Сирии

Стало известно о том, что в одной из больниц Иордании используют напечатанные на 3D-принтереконечности для лечения беженцев, раненых в Сирии. Технологии, применяемые в проекте международной организации по оказанию медицинской помощи “Врачи без границ” (Medecins Sans Frontieres, MSF), позволяют в течение 24 часов спроектировать и изготовить протез, причем его стоимость в разы ниже, чем у традиционных искусственных конечностей.

По данным New Atlas, с начала 2017 года в программе MSF приняли участие пять пациентов-добровольцев, среди которых есть и дети. Проект реализуется в центре Восстановительной хирургии MSF на базе больницы Al-Mowasah Hospital в столице Иордании Аммане, где проходят лечение раненые во время военных конфликтов в Сирии, Ираке и Йемене.

Мы не используем слишком сложные электронные решения, а стремимся делать как можно более простые, но в то же время надежные протезы, — заявил в интервью изданию инженер MSF по биомедицинскому оборудованию Cафа Херфат (Safa Herfat).

По его словам, напечатанная на 3D-принтере рука может стоить около $20, в то время как обычный протез верхней конечности обходится в сотни долларов.

Помимо дешевизны и быстроты изготовления есть и другие преимущества. Например, протез, изготовленный с помощью трехмерной печати, можно спроектировать с учетом индивидуальных нужд пациента и его повседневных задач – от езды на автомобиле до обычных домашних дел. Кроме того, проектирование может осуществляться дистанционно, а на месте выполняться только сканирование конечности и сама 3D-печать.

Также напечатанные протезы существенно легче традиционных, что немаловажно для пациентов.

Если протез тяжелый и громоздкий, пациент, скорее всего, долго с ним не проходит и перестанет им пользоваться, — заметил Cафа Херфат.

MSF надеется расширить программу и на другие регионы, нуждающиеся в подобной помощи.

3D-биопринтер для лечения сахарного диабета

В начале декабря 2017 года австралийский университет Вуллонгонга представил новый настраиваемый 3D-биопринтер, который способен улучшить лечение пациентов с диабетом первого типа.

Изобретатели назвали систему 3D-биопринтером для трансплантации клеток поджелудочной железы (PICT). Новая технология была представлена министру здравоохранения Южной Австралии, а затем передана для использования Королевской больнице Аделаиды, которая стала первой в мире клиникой с подобным оборудованием.

Разработчики поясняют, что система наносит специальные биочернила, содержащие инсулин-продуцирующие островковые клетки, на трансплантируемые 3D-печатные каркасные структуры. Предполагается, что такой метод должен усовершенствовать существующий процесс трансплантации островковых клеток от доноров человека, применяемой для лечения серьезных случаев диабета. Новая технология позволяет снизить риск отторжения пересаженной ткани за счет включения в донорскую ткань клеток пациента.

Биопринтер PICT позволит нам уникальным образом смешивать донорские клетки с клетками реципиента и создавать новые сложносоставные «органоиды» для экспериментальной трансплантации, — пояснил профессор Тоби Коутс (Toby Coates).

Кроме того, биопринтер печатает несколько типов клеток, поэтому его каркасная структура также может включать эндотелиоциты, необходимые для роста новых кровеносных сосудов в пересаженной островковой ткани.

Исследовательский совет выделил грант Австралийскому центру передовых технологий в области электроматериалов, который возглавляет профессор Гордон Уоллес (Gordon Wallace), и теперь дальнейшая разработка и улучшение 3D-биопринтера, поступившего в Королевскую больницу Аделаиды, будет проводиться его командой.

Вместе с командой Тоби Коутса из Королевской больницы Аделаиды мы планируем повысить эффективность трансплантаций островковых клеток путем внедрения донорских материалов в 3D-печатную структуру, чтобы защитить их во время и после трансплантации», – заявил профессор Уоллес.

3D-печать среднего уха для возвращения слуха

На ежегодном собрании Радиологического общества Северной Америки (RSNA) в декабре 2017 года было показано, как с помощью 3D-печати возможно воспроизводить точные копии среднего уха для возвращения слуха людям. Разработка начала применяться на практике.

Путем преобразования 3D-изображений, сделанных с помощью компьютерной томографии, в напечатанные на 3D-принтере протезы хирургам удалось с точностью поместить четыре имплантата разных размеров в человеческие уши.

Если предположить, что наиболее вероятная причина неудачного исхода с существующим протезом кроется в неправильной посадке, то возможность создания индивидуального протеза, который сможет в точности заполнить костно-воздушный разрыв, с наименьшей вероятностью приведет к неудаче, — говорит автор исследования доктор Джеффри Хирш (Jeffrey Hirsch), доцент кафедры радиологии Университета штата Мэриленд в Балтиморе, в своем интервью для HCB News. — Наше исследование показывает, что в разных ушах даже на субмиллиметровом уровне присутствуют мельчайшие отличия, которые могут быть с точностью переданы с помощью 3D-моделирования.

По мнению ученого, данный метод может улучшить хирургическую процедуру, которая часто терпит неудачу из-за неправильных размеров протезных имплантатов. В проведенном исследовании четыре хирурга осуществили введение имплантов в четыре разных средних уха. Все хирурги смогли точно совместить модель протеза с височной костью, содержащей среднюю и внутреннюю части уха. Шансы на такой исход при обычном протезировании равны 1:1296.

Хирш объяснил, что предоставляемая 3D-моделированием возможность видеть комплексные анатомические отношения позволяет выйти на новый уровень изучения, понимания и медицинского планирования.

Следующим шагом для исследователей будет разработка биосовместимого материала. В качестве такой платформы группа исследователей рассматривает использование выращенных стволовых клеток.

Рекомендации FDA для 3D-печати в медицине

4 декабря 2017 года Управление США по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами (FDA)выпустило новые рекомендации по созданию медицинских моделей с помощью 3D-принтеров. В руководстве подробно рассмотрены аспекты проектирования и испытания моделей, а также требования к их качеству.

Хотя трехмерная печать относится к относительно новым технологиям, она уже нашла широкое применение в клинической практике – например, ее используют для воссоздания точных копий сложных анатомических структур и имитаций хирургических операций. Заметив стремительную эволюцию этой технологии, FDA выпустило специальные рекомендации, чтобы помочь производителям более эффективно выводить на рынок 3D-печатные модели.

В рекомендациях, разработанных на основе совместного семинара FDA с группой независимых экспертов RSNA в области 3D-печати от 31 августа 2017 года, основное внимание уделяется техническим аспектам 3D-печати.

Рекомендации включают разделы по дизайну и процессу производства, испытанию моделей и составлению инструкций. В разделе производственного процесса рассматриваются технические аспекты 3D-печатных моделей. При создании моделей на основе изображений, например, полученных при КТ-сканировании, должны учитываться минимальное качество изображения и его разрешение, алгоритмы обработки изображений, которые могут изменять размеры модели по сравнению с реальными органами, а также сохранность и определимость анатомических ориентиров, используемых для адаптации модели.

В разделе по испытанию моделей приводятся требования к их описанию, результатам механических испытаний, измерению размеров, характеристикам материала, стерилизации и биосовместимости. Согласно третьему разделу, каждое устройство должно иметь инструкцию, где будут указаны идентификатор пациента, назначение модели и его окончательный дизайн, а также предупреждение о необходимости предварительного обследования пациента для исключения любых изменений, которые могут отличать модель от реальной анатомической структуры.

Печать мобильного детектора инфекций

В октябре 2017 года группа американских инженеров и ученых разработала новый комплекс для диагностики инфекционных заболеваний «на местах», в которой в качестве детектора используется обычный мобильный телефон и диагностический чип размером с кредитную карточку. Решение создано с использованием технологий 3D-печати.

Низкая стоимость, портативность, а также использование обычного мобильного телефона в качестве детектора делает этот диагностический комплекс незаменимым для диагностики инфекционных заболеваний в условиях ограниченных ресурсов или когда результат диагностики нужен немедленно. Интеграция диагностической платформы с современными мобильными коммуникационными системами позволит осуществлять персонализированное лечение пациентов и мониторинг эпидемиологической ситуации.

При этом время получения результатов диагностики сравнимо с временем проведения аналогичных тестов в условиях стационарной лаборатории — около 30 минут. Для сбора и интерпретации в режиме реального времени изображений ферментной умножающей реакции, которая осуществляется в кремниевом микрофлюидном чипе, служащем для визуального отображения результатов тестов, используется обычный смартфон.

Сам комплекс состоит из обычного смартфона и портативного гнезда-подставки, напечатанной на 3D-принтере и содержащей оптико-электронную «начинку», а также специальный интерфейс для камеры смартфона. Работающее в смартфоне приложение осуществляет сбор результатов проведенных с помощью микрофлюидного чипа тестов и данных о пациенте, которые затем передаются в облачную базу данных.

В ходе демонстрационных испытаний комплекс был использован для качественного и количественного анализа в капли крови инфекций, вызывающих заболевания органов дыхания у лошадей – лихорадки Зика, лихорадки Денге и лихорадки Чикунгунья.

Роботизированная рука, заменяющая сурдопереводчика

В августе 2017 года СМИ сообщили о разработке аспирантов Антверпенского университета (Бельгия), которая сможет облегчить жизнь глухих людей. С помощью 3D-принтера молодые ученые изготовили роботизированную руку, способную выполнять роль сурдопереводчика. Изобретение получило название ASLAN (Antwerp’s Sign Language Actuating Node).

Сурдопереводчики зачастую в дефиците, вот почему и было решено создать недорогую автоматизированную систему, которая сможет переводить текст на язык жестов.

Скажем, глухому человеку нужно явиться в суд, или же слабослышащий студент присутствует где-то на занятиях. Вот ситуации, в которых людям с проблемами слуха требуются сурдопереводчики, но нередко бывает так, что этих специалистов трудно быстро найти. В подобных обстоятельствах недорогая система, такая как ASLAN, может стать решением проблемы, — рассказывает профессор Антверпенского университета Эрвин Смет (Erwin Smet), слова которого приводит издание Medgadget.

Я говорил с друзьями о нехватке сурдопереводчиков в Бельгии, особенно во Фландрии, где нужны специалисты, знающие фламандский жестовый язык. Нам захотелось решить проблему. Еще мне нужен был проект по робототехники для моей диссертации, так что мы совместили две задачи, — дополняет Стейн Хайс (Stijn Huys), один из создателей роботизированного сурдопереводчика.

Собранная изобретателями роботизированная рука состоит из 25 пластиковых деталей, распечатанных на 3D-принтере и приводится в действие с помощью 16 сервоприводов, за управление которыми отвечает платформа Arduino, сообщает Tech Crunch. В планах разработчиков – система с двумя роботизированными руками и лицом для передачи эмоций.

Пока существует только опытный образец устройства, но энтузиасты намерены довести проект до конца и сделать материалы своей работы общедоступными, чтобы желающие смогли самостоятельно изготовить робота-сурдопереводчика.

Печать искусственного сердца

В июле 2017 года Швейцарский федеральный технологический институт Цюриха (ETH Zurich) представил искусственное сердце, созданное при помощи трехмерной печати. На момент анонса выполненное из силикона изделие было далеко от стадии коммерческой готовности.

Искусственное сердце весом 390 граммов и объемом 679 кубических сантиметров напечатано на 3D-принтереметодом литья по выплавляемым моделям. Левый и правый желудочки разделены не перегородкой, а специальной камерой, наполненной сжатым воздухом. Надуваясь и сдуваясь, эта камера имитирует сокращение мышц человеческого сердца и качает кровь.

К моменту демонстрации искусственного сердца оно поддерживает лишь 3000 ударов, то есть может работать от 30 до 45 минут. Для проверки работы сердца ученые использовали передовую тестовую среду, имитирующую сердечно-сосудистую систему человека, и жидкость, имеющую сравнимую с кровью вязкость. Функционирование приспособления запечатлели на видео.

Наша цель — создать искусственное сердце, которое по размерам, форме и функциям было бы сопоставимо с человеческим”, — говорит Николас Корс (Nicholas Cohrs), участник исследовательской группы, занятой в реализации проекта. — Это была проверка технической осуществимости. Наша задача заключалась не в том, что создать сердце, готовое к имплантации, а в том, чтобы думать о новом направлении разработки искусственных сердец.

К 2017 году от сердечной недостаточности страдает около 26 млн человек. Большинство из них безнадежно ждут доноров, которые бы обеспечили им новое сердце. Таким пациентам устанавливают специальные кровяные насосы, которые облегчают работу сердца, однако они могут вызывать серьезные осложнения и не предоставляют пациентам пульс.

Печать яичников

В мае 2017 года стало известно о 3D-печати яичников, которые позволили бесплодным мышам рожать. Ученые намерены тестировать разработку на людях.

Ученые Северо-западного Университета Чикаго создали искусственный яичник, позволяющий полностью восстановить репродуктивную функцию. В ходе эксперимента бесплодной лабораторной мыши был имплантирован протез, созданный с помощью трехмерной печати. Впоследствии мышата (трое из семи) смогли питаться молоком матери и получить здоровые пометы.

Биопротезы яичников состоят из пористого каркаса из желатиновых чернил, который заполнен фолликулами — крошечными содержащими жидкость мешочками, где хранятся незрелые яйцеклетки. Организм мыши-реципиента фактически координировал развитие тканей яичников, и поток крови через поры помог превратить имплантированную структуру в функциональный биопротез.

Впрочем, стоит отметить, что был напечатан не весь яичник целиком, так как он слишком сложный орган. Ученые создали соединительнотканную основу яичника: принтер заряжали желатином, который получали из коллагена, одного из главных белков соединительной ткани – коллаген был в той форме, в которой он обычно присутствует в яичниках животных. Затем в полученную (напечатанную) желатиновую основу погружали мышиные фолликулы с яйцеклетками внутри.

Пока неясно, подойдет ли такой протез человеку, так как женские фолликулы намного больше и растут быстрее. Однако ученые обещают провести исследования, направленные на развитие идеи в человеческом направлении.

Целью проекта является восстановление фертильности и эндокринного здоровья молодых пациенток, больных раком, которые были стерилизованы во время лечения рака яичников, — заявила в интервью профессор Северо-Западного университета в Чикаго Тереза Вудруф.­

Напечатанное на 3D-принтере сердце на чипе

В конце октября 2016 года исследователи Гарвардского университета сообщили о создании первого в мире сердца на чипе, напечатанного на 3D-принтере. Новая разработка позволит проводить связанные с работой сердца эксперименты без участия подопытных людей и животных, говорится на сайте университета.

Результаты самого исследования, проведенного учеными Гарвардской школы инженерного проектирования (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) и прикладных наук и Института биотехнологий им. Виза (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering), опубликованы в журнале Nature Materials.

Сердце на чипе выполнено из полупрозрачного синтетического материала, имитирующего структуру и функции сердечной ткани. В устройстве располагаются микроскопические датчики, способные отслеживать биение при воздействии на чип различных лекарственных средств и токсинов, выделяемых различными болезнетворными микроорганизмами.

Напечатанный на 3D-принтере орган не может служить имплантантом для человека, а предназначен лишь для проведения научных исследований. Благодаря новой технологии можно будет воспроизводить наследственные заболевания в лабораторных условиях с воссозданием клеток конкретного пациента, а также испытывать на искусственно выращенных тканях различные методы лечения, чтобы выбрать наиболее действенный.

Исследователям часто приходится работать в неведении, когда происходят постепенные изменения в ходе гистогенеза и развития сердечной мышечной ткани, поскольку нет легких неинвазивных способов измерения функциональных характеристик ткани, — говорит ведущий автор исследования Йохан Ульрик Линд (Johan Ulrik Lind). — Интегрированные датчики позволяют исследователям постоянно собирать данные в то время, пока ткань созревает и улучшает сократительную способность.

Создание 3D-моделей органов перед операциями в Дубае

В октябре 2016 года стало известно о том, что в медицинских учреждениях Дубая появятся 3D-принтеры, печатающие точные макеты органов пациентов, которые предстоит оперировать. Благодаря новой технологии планируется повысить точность и эффективность хирургических операций.

Как сообщает издание Gulf News, все больницы, находящиеся под контролем Управления здравоохранения Дубая (Dubai Health Authority, DHA) на территории Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), будут оснащаться оборудованием для 3D-печати протезов конечностей и зубов, имитирующих переломы слепки и моделей человеческих органов для имитации операций перед непосредственным операционным контактом с пациентом.

По словам вице-президента ОАЭ и правителя Дубая шейха Мухаммеда бин Рашида Аль-Мактума (Mohammed bin Rashid Al Maktoum), эта инициатива ускорит проведение медицинских процедур, сократит расходы и поможет докторам планировать сложные хирургические операции.

Кроме того, 3D-печать улучшает точность клинической подготовки. Мы будем печатать все модели органов пациентов, используя базовые возможности компьютерной томографии, чтобы помочь врачам имитировать операции и визуализировать всевозможные ситуации, — сообщил Аль-Мактум.

По его словам, регуляторы ОАЭ работают над тем, чтобы законы соответствовали быстрому развитию технологий объемной печати. Не далек тот день, когда клиенты смогут распечатывать различные предметы в специальных киосках, поэтому очень важно определить четкие правила управления любым видом 3D-печати, добавил шейх.

Использование 3D-принтеров в медицинских целях стало частью стратегии Дубая по развитию 3D-печати, в задачи которой входит превращение города в лидирующий центр этой технологии к 2030 году. Ожидается, что все новые здания в Дубае к этому моменту будут на 25% состоять из деталей, напечатанных на 3D-принтерах.

Создание и вживление 3D-черепа

В апреле 2016 года стало известно о том, что южнокорейские хирурги смогли напечатать на 3D-принтере модель черепа и использовать его на живом человеке. Операция прошла успешно и помогла спасти человеческую жизнь, говорится в публикации на сайте 3Dprint.com.

В больницу при университете Чунан (Chung-Ang University) в Южной Корее поступила 60-летняя пациентка с жалобой на внезапную головную боль. У нее диагностировали субарахноидальное кровоизлияние. После тщетных попыток остановить смертельное кровотечение врачи приняли решение удалить часть черепа, чтобы уменьшить давление на мозг, вызванное его отеком.

Во время операции в месте удаленной части черепа возникла недостаточность кровоснабжения мозга, в результате чего потребовалась пересадка черепа. В итоге было принято решение об имплантации трехмерной модели черепной коробки.

Доктора больницы привлекли специалистов Корейского института промышленных технологий в провинции Канвондо. Они сканировали черепную коробку пациентки при помощи компьютерной томографии и создали точную трехмерную копию органа. При помощи специального оборудования модель была распечатана. Ее изготовили из чистого титана, который принято считать одним из лучших материалов для создания имплантов. Этот металл является легким, прочным и инертным, он имеет низкую вероятность отторжения организмом.

Операция по вживлению напечатанного на 3D-принтере черепа завершилась успешно. Профессор отделения нейрохирургии университета Чунан Квон Чжонтек (Kwon Jeong-tek) отметил, что создание синтетических имплантов и металлических пластинок, используемых для соединения костных отломков, давно применяется для замены элементов черепа человека, однако данная технология всегда была несовершенной.

ПО для 3D-печати в медицине

На вебинаре, который провела организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) в конце марта 2016 года, доктор Университета Юты Джастин Крамер (Justin Cramer) перечислил основные программные продукты, которые могут использоваться для трехмерной печати в медицине.

• Horos. Это бесплатная программа для просмотра рентгеновских снимков, а также изображений, полученных в результате магнитно-резонансной томографии и компьютерной томографии. Этот продукт с открытым исходным кодом имеет достаточно продвинутую функциональность в части 3D-рендеринга, в том числе инструмент визуализации поверхностей. Файлы могут быть экспортированы в формат STL для вывода на 3D-печать. Недостатком Horos является отсутствие возможности сегментации изображения — разделения на пиксели с целью упрощения и/или изменения представления снимка, чтобы его было легче анализировать, сказал Крамер.

• Blender. Это приложение также имеет открытый исходный код, а его одним из главных достоинств является очень активное интернет-сообщество, которое постоянно разрабатывает новые дополнения для этого продукта. Он функциональнее Horos, но труднее в освоении, подмечает Джастин Крамер.

• SketchUp. Программа позволяет моделировать различные трехмерные объекты и имеет достаточно широкие возможности. Для Крамера наибольшую пользу представляет функция конвертирования STL-файлов в формат Collada, с которым совместимо приложение Apple iBooks. SketchUp когда-то распространялся бесплатно, но к апрелю 2016 года он стоит $695. Образовательные учреждения (или те, у кого есть доступ к электронной почте в домене .edu) могут бесплатно скачать специальную версию программы.

• Materialise. Сам Университет Юты, известный своими достижениями в области трехмерной печати, пользуется САПРбельгийской компании Materialise. Речь идет о программе для обработки изображений Mimics и продукте 3-matic. Последний позволяет изменять геометрию, перестраивать сетку и создавать трехмерные текстуры, легкие конструкции и конформные структуры на уровне STL, готовя компьютерные модели для 3D-печати.

При выборе софта для 3D-принтеров Джастин Крамер рекомендует руководствоваться простым правилом: для начинающих подойдут бесплатные варианты, но если планируется создавать точные анатомические модели для профессионального использования, то лучше приобрести мощный платный продукт, поскольку с его помощью можно создавать более качественную модель.

Разработки Университета Юты: дешёвая 3D-печать методом наплавления

В конце марта 2016 года медицинская организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) провела вебинар, в ходе которого радиологи из Университета Юты рассказали о возможностях своей новой лаборатории для 3D-печати. Ее особенностью является использование недорогого оборудования.

Для трехмерной печати было выбрано моделирование методом наплавления (FDM). Технология предполагает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.

По словам доктора наук из Университета Юты Эдварда Квигли (Edward Quigley), метод наплавления является универсальным и дешевым способом создания объемных объектов, именно поэтому его часто используют для разработки медицинских 3D-принтеров начального уровня.

В Университете Юты сконструировали на основе FDM дешевый принтер, позволяющий печатать хрупкие и сложные анатомические модели, применяемые для образовательных целей. Для получения более точных и наглядных прототипов специалисты добавили в оборудование режимы цветной печати. Однако несмотря на все достижения процесс моделирования остается нелегким: очень часто происходит большой сбой, в результате которого 24-часовая печать объекта заканчивается лишь кучей расплавленного пластика, сетует Квигли.

Впрочем, были и успешные эксперименты в университете. Один из них изображен на иллюстрации выше. На картинке слева можно видеть напечатанную на 3D-принтере нейлоновую модель, демонстрирующую шейные позвонки, позвоночные артерии, дуральный мешок и спинной мозг. Справа показана виртуальная версия, на основе которой создавался физический прототип.

Эдвард Квиглин отметил, что 3D-печать может использоваться для проведения исследований, интраоперационного планирования операций, в сердечно-сосудистой и легочной хирургии. Такие технологии особенно полезны в травматологии, а также могут применяться, к примеру, для создания направляющей для биопсийной иглы или направляющей втулки для сверления зубов, добавил он.

Для любознательных: Революция в трёхмерном измерении: аддитивные технологии в медицине от истоков до биопечати органов

Современная медицина стремительно уходит от концепции «одно решение для всех». На смену стандартизированным подходам приходит практически полностью персонализированная медицина, учитывающая уникальные анатомические, генетические и физиологические особенности каждого человека. Главным технологическим драйвером этой трансформации стало аддитивное производство (Additive Manufacturing), более известное как 3D-печать. Этот метод создания трёхмерных объектов путём послойного нанесения (добавления) материала кардинально изменил хирургию, протезирование и фармакологию.

История аддитивных технологий в медицине развивалась параллельно с эволюцией самих принтеров, пройдя путь от простых пластиковых макетов до имплантации живых клеток:

• 1980-е годы — Зарождение технологии: В 1984 году Чарльз Халл изобрёл метод стереолитографии (SLA). Изначально технология создавалась для промышленного прототипирования, но врачи быстро осознали её потенциал. В конце 80-х данные компьютерной томографии (КТ) впервые применили для создания пластиковых моделей костей, что облегчило планирование сложнейших челюстно-лицевых операций.
• 1990-е годы — Первые медицинские триумфы: Появляются новые методы, такие как селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование методом наплавления (FDM). Медики начинают использовать 3D-печать для изготовления индивидуальных слуховых аппаратов и первых стоматологических шаблонов. В 1999 году учёные из Института регенеративной медицины Уэйк-Форест совершили прорыв: они напечатали синтетическую основу (каркас) мочевого пузыря человека, заселили её собственными клетками пациента и успешно провели трансплантацию.
• 2000-е годы — Эра биосовместимых материалов: Началась интеграция металлических порошков (в первую очередь титана). 3D-принтеры стали производить полноценные костные имплантаты, которые не просто заменяли повреждённые участки, но и срастались с телом пациента. В этот же период зарождается полноценная биопечать (bioprinting) с использованием гидрогелей и живых клеточных сфероидов.
• 2010-е — по настоящее время — Масштабирование и сертификация: Технология вышла из стен лабораторий в коммерческую медицину. Напечатанные титановые межпозвонковые кейджи, тазобедренные суставы и черепные пластины получили официальное одобрение контролирующих органов (таких как FDA). В 2019 году израильские учёные напечатали первое миниатюрное живое сердце с кровеносными сосудами, используя человеческие клетки, что ознаменовало переход к созданию сложных васкуляризированных органов.

Направления применения в медицине: подробный разбор с примерами

1. Персонализированные имплантаты и протезы

Традиционное протезирование предлагает врачу ограниченную линейку стандартных размеров. Аддитивные технологии позволяют создавать конструкции, идеально соответствующие геометрии дефекта конкретного пациента, минимизируя травматизацию соседних тканей.

Примеры практического применения:

• Титановые пластины в краниопластике: При тяжёлых травмах черепа или после удаления опухолей мозга остаются обширные костные дефекты. По данным КТ-сканирования пациента на лазерном принтере (методом SLM) выпекается титановая пластина, в точности повторяющая изгибы черепа. Она закрывает дефект с точностью до десятых долей миллиметра.
• Пористые тазобедренные суставы: При эндопротезировании тазобедренного сустава используются напечатанные чашки с градиентной пористостью. Внешний слой имплантата имеет структуру, идентичную губчатой кости человека. Живая кость прорастает внутрь этих пор (процесс остеоинтеграции), обеспечивая пожизненную фиксацию без использования медицинского цемента.
• Эндопротезы нижней челюсти в онкоортопедии: После радикального удаления опухолей челюстно-лицевой области пациенту устанавливают индивидуальный ретрактор из титана или PEEK-пластика. Он восстанавливает жевательную функцию, симметрию лица и глотательный рефлекс сразу после операции.
• Бионические протезы конечностей: Компании (например, российская Моторика или международная Open Bionics) используют FDM и SLS печать для создания лёгких, футуристичных и доступных по цене тяговых и бионических протезов рук для детей и взрослых. Корпус адаптируется под размеры культи, а дизайн может стилизоваться под «руку супергероя», что помогает психологической адаптации детей.

2. Хирургические шаблоны и предоперационное моделирование

Визуализация на экране монитора не даёт хирургу полного тактильного и пространственного понимания сложной патологии. Печать анатомических моделей позволяет врачу подержать в руках орган пациента ещё до первого разреза.

Примеры практического применения:

• Моделирование пороков сердца у детей: При врождённых пороках сердца у младенцев геометрия дефектов может быть крайне запутанной. Кардиохирурги печатают точную копию сердца ребёнка из гибкого фотополимера (имитирующего миокард) в масштабе 1:1 или 2:1. Врач разрезает пластиковую модель, планируя траекторию наложения швов и заплат, что сокращает время остановки сердца во время реальной операции.
• Навигационные шаблоны для спинальной хирургии: При деформациях позвоночника (тяжёлых сколиозах) фиксация позвонков винтами сопряжена с риском задеть спинной мозг или крупные артерии. На 3D-принтере печатается индивидуальный шаблон, который жестко накладывается на позвонок во время операции. В шаблоне есть направляющие трубки, через которые хирург вводит винт строго под рассчитанным безопасным углом.
• Ортогнатические направляющие в стоматологии: При исправлении прикуса и реконструкции челюстей хирурги используют напечатанные капы-шаблоны. Они указывают места распила кости (остеотомии) и точное новое положение челюстных фрагментов, исключая погрешность «на глаз».
• Репетиция удаления опухолей головного мозга: Нейрохирурги печатают полупрозрачные модели черепа с цветным выделением опухоли, критически важных трактов белого вещества и окружающих сосудов. Это позволяет выбрать наименее травматичный доступ к новообразованию.

3. Тканевая инженерия и биопечать (3D Bioprinting)

Биопечать использует роботизированные системы для послойного нанесения живых клеток и поддерживающего матрикса (гидрогеля) для создания функциональных тканей.

Примеры практического применения:

• Эквиваленты кожи для лечения ожогов: Созданы мобильные биопринтеры, которые могут наносить слои гидрогеля с фибробластами и кератиноцитами пациента прямо на раневую поверхность (ожоговое поле). Такая кожа быстро приживается, предотвращает потерю влаги и минимизирует образование рубцов.
• Печать хрящевой ткани для суставов: Из-за отсутствия кровеносных сосудов хрящ не восстанавливается самостоятельно. Методом биопечати создаются индивидуальные мениски и ушные раковины. Напечатанный хрящ постепенно созревает в биореакторе, приобретая необходимую упругость перед имплантацией.
• Выращивание сосудистых графтов: Одной из главных проблем трансплантологии является кровоснабжение тканей. Учёные успешно печатают трубчатые структуры из эндотелиальных клеток — кровеносные сосуды малого диаметра, которые в будущем заменят синтетические шунты при операциях на сердце.
• Трёхмерные тканевые модели для тестирования рака: Вместо тестирования лекарств на мышах, исследователи печатают миниатюрные опухоли (tumor-on-a-chip) из клеток конкретного пациента. Это позволяет в лаборатории проверить, какая именно химиотерапия уничтожит метастазы у данного человека, не отравляя его организм экспериментами.

4. Фармацевтика (Печать лекарств)

Аддитивное производство в фармации разрушает концепцию массовых дозировок, предлагая гибкое управление скоростью высвобождения и составом препаратов.

Примеры практического применения:

• Быстрорастворимый препарат Spritam (Леветирацетам): В 2015 году FDA впервые одобрило лекарство от эпилепсии, произведённое методом порошковой 3D-печати. Благодаря сверхпористой структуре огромная доза действующего вещества (1000 мг) растворяется во рту пациента за несколько секунд от глотка воды, что критически важно при судорожном синдроме, когда больному трудно глотать.
• Персонализированные «полипиллы» (Polypills): Для пожилых людей или пациентов с хроническими заболеваниями, вынужденных принимать по 10–15 таблеток в день, печатаются комбинированные капсулы. Один такой «капсульный сэндвич» содержит несколько слоёв разных лекарств (например, от давления, холестерина и диабета), каждый из которых выделяется в кровь строго в назначенное время.
• Таблетки с контролируемой формой для изменения кинетики: Изменяя внутреннюю геометрию таблетки (например, печатая её в форме тора, куба со сложными внутренними пустотами или пирамиды), можно запрограммировать её растворение: равномерно в течение 12 часов или порционно (всплесками).
• Педиатрические лекарственные формы: Для детей лекарства печатаются в виде мягких жевательных форм с привлекательным вкусом и формой животных, содержащих строго рассчитанную по весу ребёнка микродозу активного вещества, исключая необходимость делить горькие взрослые таблетки на четвертинки.

Преимущества аддитивных технологий перед традиционными методами

Критерий сравнения	Традиционные методы (Субтрактивные, литьё)	Аддитивные технологии (3D-печать)
Геометрическая сложность	Ограничена возможностями фрезы или пресс-формы. Невозможно создать замкнутые внутренние полости.	Практически безгранична. Печать ячеистых, трабекулярных, пористых и сетчатых структур любой конфигурации.
Уровень кастомизации	Массовое производство. Кастомизация требует изготовления новой дорогой формы для отливки.	100% индивидуализация. Изменение дизайна происходит на компьютере без удорожания себестоимости печати.
Расход сырья	Высокий (до 70-80% дорогого медицинского титана уходит в стружку при вытачивании из заготовки).	Минимальный. Используется только то количество порошка или полимера, которое формирует объект.
Интеграция с телом (Остеоинтеграция)	Гладкая или искусственно шероховатая поверхность. Требует покрытия. Кость неохотно нарастает сверху.	Поры имплантата идентичны порам живой кости. Организм воспринимает деталь как родную структуру.
Скорость логистической цепочки	Заказ, согласование с заводом, изготовление на станке, доставка — от 2 недель до 2 месяцев.	Проектирование в клинике, отправка на принтер — готовое изделие в операционной через 12–48 часов.

Перспективы развития и заключение

Аддитивные технологии находятся на пороге перехода от стадии «высокотехнологичной экзотики» к этапу рутинного клинического применения. В ближайшие десятилетия вектор развития 3D-печати в медицине будет направлен в сторону следующих прорывов:

1. 4D-печать (Smart-материалы): Создание объектов, способных менять свою форму, свойства или функции под воздействием внешних факторов (температуры тела, уровня pH, влажности или магнитного поля). В хирургии это выльется в появление саморазворачивающихся стентов для сосудов или имплантатов, которые расширяются внутри тела ребёнка по мере его естественного роста, избавляя от повторных травмирующих операций.
2. Полноценная трансплантация напечатанных органов: Главная цель биопечати — создание крупных комплексных органов (почек, печени, сердец). К 2030–2040 годам ожидается появление первых коммерческих технологий печати органов из собственных стволовых клеток пациента. Это навсегда ликвидирует чёрный рынок донорских органов, очереди на трансплантацию и необходимость пожизненного приёма иммуносупрессоров.
3. In-situ биопечать (печать прямо в ране): Развитие роботизированных хирургических рук-манипуляторов, оснащённых печатающими головками. Во время лапароскопической операции робот будет сканировать повреждение внутреннего органа (например, язву желудка) и на месте «запечатывать» дефект слоями живых клеток.
4. Космическая биопечать: В условиях микрогравитации на орбитальных станциях гидрогели не растекаются под действием силы тяжести. Это позволяет печатать сверхсложные органные структуры без использования жестких поддерживающих каркасов. Эксперименты на МКС уже доказали жизнеспособность этого метода.

В заключение можно утвердительно заявить: аддитивные технологии стирают грань между инженерией и биологией. Они совершают ментальный сдвиг в здравоохранении, превращая операционные залы в центры цифрового синтеза. Дальнейший прогресс зависит от междисциплинарного сотрудничества материаловедов, биологов, программистов и хирургов. Когда будут решены вопросы стандартизации и биологической безопасности, 3D-печать подарит человечеству принципиально новый уровень качества и продолжительности жизни.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Из каких материалов чаще всего печатают медицинские изделия?

Используются три основные группы материалов:

• Металлы: Медицинский титан (Ti6Al4V) и кобальт-хромовые сплавы. Они прочны, биоинертны (не вызывают отторжения) и идеальны для костных имплантатов.
• Полимеры: PEEK (полиэфирэфиркетон) — высокопрочный пластик, близкий по упругости к человеческой кости; PLA и PCL (поликапролактон) — биоразлагаемые пластики для временных каркасов; медицинские фотополимеры и силиконы для хирургических шаблонов.
• Биочернила (Bio-inks): Гидрогели на основе коллагена, альгината, желатина или гиалуроновой кислоты, смешанные со стволовыми клетками или первичными клетками тканей пациента.

Безопасна ли 3D-печать? Нет ли риска отторжения организмом?

Для имплантатов используются строго сертифицированные материалы высшего медицинского класса чистоты. Риск отторжения у напечатанного титанового имплантата даже ниже, чем у стандартного штампованного. Это связано с тем, что пористая структура напечатанного изделия позволяет сосудам и костным клеткам прорастать внутрь него, делая его частью скелета. В случае биопечати риск отторжения практически равен нулю, так как используются собственные (аутологичные) клетки самого пациента.

Сколько времени занимает создание индивидуального имплантата?

Весь процесс от КТ-снимка до стерильной детали для операции может занимать от 24 до 48 часов. Сюда входит: сканирование (30 минут), обработка данных и 3D-моделирование инженером совместно с хирургом (2–5 часов), сам процесс 3D-печати (от 4 до 12 часов в зависимости от размера изделия), постобработка (очистка, обжиг, полировка — 3–5 часов) и финишная стерилизация.

Можно ли прямо сейчас прийти в больницу и напечатать себе новый орган?

Нет, пока нельзя. Печать полноценных жизнеспособных органов (почки, печень, легкие) всё ещё находится на стадии лабораторных и доклинических исследований. Главная сложность — воссоздать микрокапилляры (сосудистую сеть), которые должны питать орган изнутри, чтобы клетки не погибли. Сейчас в реальной клинической практике массово применяются печать костей, суставов, хрящей, кожи, зубов, протезов и хирургических шаблонов. Печать сложных органов ожидается в клиниках не ранее чем через 10–15 лет.

Заменяет ли 3D-печать традиционную работу хирургов?

Нет, технология не заменяет врача, а даёт ему совершенный инструмент. 3D-печать забирает на себя рутинную, сложную и рискованную часть работы по «подгонке» материалов во время операции. Вместо того чтобы тратить драгоценное время наркоза на выпиливание кости или изгибание стандартной титановой сетки руками, хирург получает идеально подходящую деталь и тратит время исключительно на её качественную установку и сшивание тканей. Это делает работу врача более точной, предсказуемой и безопасной для пациента.

Источник: http://www.tadviser.ru/