3D-печать в здравоохранении. Обзор

Нажмите кнопку "Печать" и принтер напечатает вам сломавшуюся деталь от газонокосилки или кофемашины. Возможности 3D-печати, когда такие устройства только появились, просто поражали воображение. Сегодня, когда их функционал многократно возрос, они так уже не удивляют, хотя в сфере здравоохранения, например, они уже используются для печати протезов, деталей медицинских устройств, кровеносных сосудов и живых тканей и многого другого.

Технология 3D пока еще не настолько развита, но в хирургии, медицине и фармакологии она развивается очень быстрыми темпами. Давайте кратко рассмотрим примеры и возможности применения этой технологии в медицинской сфере.

Печать протезов конечностей

Создание традиционных протезов — это очень длительный и сложный процесс, при котором любая модификация какой-либо части требует, как правило, начать всю работу сначала. И цена таких устройств высока. При протезировании рук для детей простота, прочность и способность адаптации по мере роста являются еще более важными факторами. Сегодня 3D-принтеры производят легкие, просто настраиваемые и недорогие искусственные руки, которые идеально подходят для маленьких пациентов. И замена поврежденных протезов теперь уже не представляет большой проблемы.

Сегодня подобные протезы успешно изготовляют две организации - Robohand и E-Nable, чьи протезы пользуются сегодня большим успехом. Кроме того, работы по разработке и коммерциализации таких систем ведутся во многих странах, включая Россию.

Создание протезов для стоматологии и челюстной хирургии

С этой технологией в стоматологических кабинетах уже сталкивались многие и 3D-принтеры стали там уже привычным при протезировании зубов. Челюстная хирургия - процедура, производимая при опухолях челюстей и инфекциях - включает в себя операции по реконструкции частей костей и протезирование зубов. Реконструкция — это многокомпонентный процесс, и пациенты проходят очень длительное выздоровление. Врачи нью-йоркского Медицинского центра Langone первыми начали проводить процедуру, которая использует 3D-изображения при планировании операции. Благодаря методу "Челюсть за 1 день" отпала необходимость во многих промежуточных операциях по имплантации и протезированию, сократив время операции и восстановления пациента минимум на один год.

Лечение рака при помощи 3D-принтера

Ученые из австралийского Технологического университета в Квинсленде разработали индивидуализированное лечение рака на базе технологий трехмерной печати, которое направлено непосредственно на опухоль. Они используют напечатанную на 3D-принтере миниатюрную "раковую опухоль" из желатинового гидрогеля, который очень похож на человеческую ткань, и применяют ее для тестирования лекарств от рака. Раковые клетки конкретного пациента могут помещаться в несколько отдельных "напечатанных" микросред, которые одновременно тестируются с различными комбинациями антираковых лекарств. Таким образом медицинские специалисты могут подобрать идеальную медицинскую процедуру для каждого конкретного пациента, причем очень быстро.

Отметим, что этот гидрогель может быть модифицирован, чтобы имитировать, например, твердость хряща или мягкость ткани молочной железы, что делает его пригодным для лечения всех видов рака.

Изготовление кровеносных сосудов

Ученые Гарвардского университета разработали метод печати тканевых структур, содержащих сеть кровеносных сосудов. В рамках этого проекта ученые разработали "биологические чернила", содержащие ингредиенты тканей организма. Согласно сообщению Гарвардской школы инженерии и прикладных наук, метод биопечати может стать первым шагом к созданию трехмерных живых тканей, таких как кожа и хрящи, для хирургического использования у пациентов.

Компания-стартап Prellis Biologics изобрела новый метод создания т.н. «жизнеспособных» человеческих органов, используя почти мгновенную 3D-печать. Специалистам компании удалось обойти самое главное препятствие для создания в лабораторных условиях функционирующих человеческих тканей – невозможность создание микроциркуляторной части кровеносной системы. Без этой сложной системы мельчайших сосудов, капилляров, артериол и венул, необходимой для доставки питательных веществ и кислорода в клетки, никакой орган не способен выжить.

Печать таблеток

Компания Aprecia использует собственную технологию ZipDose, которая применяет 3D-печать для создания более пористых таблеток, содержащих лекарство, предназначенное для эпилептиков. Такая структура означает, что таблетки быстрее растворяются при контакте с жидкостью, позволяя пациенту значительно проще проглатывать большие дозы лекарства.

Процесс 3D-печати позволяет также более плотно упаковывать слои в таблетке с более точной дозировкой, что будет очень важно в ближайшем будущем в эпоху "персонализированной медицины", когда лекарства будут выписываться с учетом генетики, физических данных и истории болезни каждого пациента. Печать персональных таблеток, дозировка которых легко настраивается для принтера с помощью приложения, намного дешевле и проще в применении, чем это было до сих пор.

Испанская компания FabRx разработала специализированный 3D-принтер, используемый в качестве инструмента персонализированной медицины для лечения редких метаболических заболеваний в педиатрии. Технология 3D-печати позволяет получать высокоточную дозу для каждой напечатанной таблетки и даже позволяет комбинировать лекарства в одной таблетке, что облегчает соблюдение режима лечения как врачами, так и пациентами.

Изготовление дешевых диагностических устройств

Исследователи из Канзасского государственного университета (США) создали с помощью 3D-принтера дешевое диагностическое устройство, которое, работая в паре с приложением на смартфоне, может буквально за несколько секунд определять анемию. Этот предназначенный для использования непосредственно в месте оказания медицинской помощи прибор может быть исключительно полезным для людей в бедных районах. Устройство состоит из напечатанных на 3D-принтере прозрачных пластиковых слайдов, содержащих микрофлюидные каналы и для постановки первичного диагноза не требуется помощь врача или лаборатории.

А исследователи из университета штата Вашингтон (США) разработали технологию, позволяющую печатать на 3D-принтере дешевые биосенсоры, способные измерять уровень сахара в крови. При этом используется процесс прямого чернильного ввода, который позволяет очень точно печатать тонкие линии из различных "чернил" в очень маленьких масштабах. В этом случае "чернила" — это наноразмерный материал, который используется для создания маленьких и гибких электродов, способных обнаруживать глюкозу в поту человека и измерять ее концентрацию.

3D-принтер сегодня используется и для изготовления других недорогих диагностических устройств, о которых мы уже писали - например, накладки на смартфон, которая помогает диагностировать рак шейки матки, или насадки на смартфон, предназначенной для проведения иммуноферментного анализа.

Печать органов и тканей человека

Ученые из польского Фонда исследований и научных разработок разработали метод использования 3D-биопечати для создания бионической поджелудочной железы. Этот метод предусматривает биопечать трехмерных структур с использованием тканей поджелудочной железы или инсулин-производящих клеток для формирования искусственной поджелудочной железы. Цель проекта - создание функциональной поджелудочной железы из собственных трансформированных стволовых клеток, которая устраняет все основные проблемы, с которыми сталкиваются при имплантации органов.

Еще дальше пошли специалисты Университета Тель-Авива, которые смогли напечатать уменьшенную копию живого сердца человека на 3D-принтере. Искусственный орган создан из человеческих тканей и сосудов. Сердце, напечатанное израильскими специалистами, состоит из жировых клеток человека, преобразованных в стволовые клетки сердечно-сосудистой системы. Затем их смешали с соединительной тканью и поместили в 3D-принтер. По словам специалистов университета, это "первый случай, когда кто-либо в мире успешно разработал и напечатал целое сердце, содержащее клетки сердечной мышцы, кровеносные сосуды, желудочки и камеры".

Изготовление бионического глаза

Американские ученые из университета Миннесоты смогли напечатать с помощью 3D-принтера, использующего сразу несколько различных материалов, светочувствительную сборку, состоящую из серебряных частиц и полимерных полупроводников, помещенных на полусферическую стеклянную поверхность.

Получившийся материал способен конвертировать свет в электричество, и разработчики надеются, что через некоторое время их продукт сможет выполнять роль бионического глаза.

Протезирование дыхательных путей

Устройства, изготовленные с помощью 3D-принтеров, могут помочь сохранить открытыми дыхательные пути детей. В детской больнице Мичиганского университета имени К.С. Мотта протезы, созданные с помощью этой технологии, помогли спасти младенцев с болезнью дыхательных путей, периодически препятствующей нормальному дыханию. Такое устройство уже помогла спасти жизни нескольких младенцев.