Краткий путеводитель по 3D-печати в медицине

В последние несколько лет технологии 3D-печати развиваются с космической скоростью и теперь используются и в медицине, причем таким образом, о котором мы раньше и подумать не могли. И список объектов, которые уже вполне успешно создаются с помощью технологии трехмерной печати и который мы хотим вам представить, демонстрирует огромный потенциал, который 3D-печать может привнести в современное здравоохранение.

1. Ткани с кровеносными сосудами

Исследователи из Гарвардского университета (США) добились большого прогресса в биопечати кровеносных сосудов, что является самой большой проблемой в 3D-печати тканей тела, которые должны снабжаться кровью. В своей лаборатории ученые создали специальный 3D-принтер и растворяющиеся чернила, позволяющие создавать образцы ткани, содержащие клетки кожи, переплетенные со структурированным материалом, который потенциально может работать как кровеносные сосуды.

2. Недорогие части для протезов

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, что делает их недоступными для людей с невысоким уровнем доходов. Ученые Торонтского университета используют 3D-печать для быстрого производства дешевых и легко настраиваемых модулей для протезов, которые предназначены для людей в развивающихся странах. Аналогичные продукты с большим успехом изготовляют две специализированных организации - Robohand и E-Nable, чьи протезы пользуются сегодня ошеломляющим успехом.

3. Лекарства

Химик из университета в Глазго Ли Кронин намерен использовать для поиска и распределения лекарств метод, который Apple применила для музыки. Для этого он предполагает использовать 3D-принтер, который способен производить продукты из химических компонентов, соединяемых на молекулярном уровне. Пациенты могут обращаться со своим цифровым рецептом в интернет-аптеку, покупать там схему лекарства и необходимые им компоненты чернил, а само лекарство печать у себя дома. Т.е. в будущем, по мнению Кронина, будут продаваться не лекарства, а их схемы или специальные приложения для их печати.

Печать лекарств на трехмерном принтере уже не только эксперимент, это уже реально работающая технология. Например, новое лекарство Spritam levetiracetam компании Aprecia, предназначенное для контроля судорог при эпилепсии, изготавливается с помощью технологии ZipDose, которая применяет 3D-печать для создания более пористых таблеток.

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, а не просто использоваться по принципу "один размер подходит всем"

4. Индивидуальные датчики

Исследователи из университета Вашингтона в Сент-Луисе использовали сканированные копии сердца животных для печати моделей, вокруг которых размещали гибкие электронные датчики. Силиконовые датчики затем могут быть сняты с напечатанной модели и закреплены у человеческого сердца для максимально точной подгонки к нему. Хотя современные датчики, в основном, используются снаружи тела, но в будущем, возможно, потребуется и большое "сближение" к нашему телу.

5. Медицинские модели

Группа китайских и американских исследователей использует напечатанные модели раковых опухолей для того, чтобы создавать новые антираковые препараты и лучше понимать, как опухоль развивается, растет и распространяется. Создание индивидуальных для конкретного пациента моделей с помощью КТ- или МРТ-сканирования позволяет использовать их не только для исследования, но и для более практических вещей, например, для подготовки к хирургической операции, что позволяет очень сильно сократить время такой процедуры. Кроме того, данные медицинского сканирования могут использоваться, например, для 3D-печати индивидуальных для конкретных пациентов имплантатов.

6. Кости

Новая технология и трехмерный принтер ProMetal уже позволяют ученым из Вашингтонского государственного университета «печатать» гибридный материал, который имеет те же самые свойства, что и реальные человеческие кости. Такая гибридная модель может помещаться в тело человека в место, где повреждены кости, и может использоваться в качестве каркаса все время, пока кости не восстановятся и не вернутся в здоровое состояние.

Причем использование этого материала одновременно со стволовыми клетками позволило костям восстанавливаться существенно быстрее, чем в нормальных условиях. Сам материал представляет собой комбинацию цинка, кремния и фосфата кальция.

7. Сердечный клапан

Ученые из Корнелльского университета (США) впервые напечатали сердечный клапан, который в ближайшее время будет испытан на овцах. Используя принтер с двойной головкой, они смогли напечатать этот орган, который состоит из альгината, клеток гладкой мышцы и интерстициальных клеток, контролирующих жесткость клапана.

8. Ушной хрящ

Специалисты из этого же университета использовали трехмерные фотографии человеческого уха для печати шаблона уха. Такие шаблоны затем заполнялись гелем, содержащим коровьи хрящевые клетки в коллагеновой суспензии, который мог держать форму, пока клетки выращивали свою внеклеточную матрицу. А ученые из Принстона, в свою очередь, печатают "коллагеновые уши" со встроенной электроникой, обеспечивающей сверхчеловеческий слух.

Кстати, ученые из Корнелльского университета теперь начали использовать 3D-принтер и для печати межпозвоночных дисков для лечения тяжелых спинальных осложнений.

9. Медицинское оборудование

3D-печать используется и для решения проблемы недоступности или высокой стоимости медицинского оборудования в развивающихся странах. Например, группа iLab использует трехмерную печать для создания пуповинных зажимов для больниц в Гаити.

10. Замена черепа

Группа голландских ученых из Университетского медицинского центра в Утрехте недавно провела операцию, в процессе которой 22-летней девушке была заменена верхняя часть черепа на индивидуально напечатанный имплантат из пластика. Подобная операция была произведена в Китае, где мужчина с поврежденным черепом получил его титановую замену, напечатанную на 3D-принтере, и в Словакии, где человек с подобным повреждением получил аналогичное 3D-"лечение".

11. Синтетическая кожа

Специалист из Медицинской школы Уэйк-Форест (США) Джеймс Ю разработал принтер, который может печатать кожу прямо на ране пострадавшего от ожогов. Принтер сканирует рану, а затем производит необходимое количество слоев кожи, которые заполняют рану. В своих исследованиях он смог успешно продемонстрировать жизнеспособность 10-сантиметрового кусочка кожи, трансплантированного на свинье и сейчас получил финансирование от американской армии для доработки своей технологии с целью лечения раненых солдат.

12. Органы

Компания Organovo недавно объявила о запуске в коммерческую эксплуатацию своей технологии биопечати образцов печени - напечатанных на 3D-принтере клеток печени, которые могут функционировать в течение 40 дней. В настоящее время этот продукт используется для тестирования новых фармакологических изделий. Руководители Organovo и ряд отраслевых экспертов утверждают, что уже через 10 лет они смогут печатать органы целиком - печень, сердце и почки. И это может быть спасением для сотен тысяч людей по всему миру, которые ждут органы для трансплантации.

Технологию трехмерной печати, которая в будущем может быть использована для "ремонта" сердца, разработали и специалисты университета Карнеги-Меллона (США). По словам разработчиков, "мы уже сейчас можем взять изображения, полученные методом МРТ коронарных артерий, и 3D-изображения эмбрионального сердца и сделать их трехмерную "биопечать" с беспрецедентными качеством и разрешающей способностью, используя мягкие протеины и полисахаридные гидрогели типа коллагена, альгината и фибрина". Такие биологические структуры создаются путем встраивания печатаемого гидрогеля в другой гидрогель, который служит временной термообратимой и биосовместимой основой.