3D-печать в здравоохранении сегодня и завтра. Часть1
3D-печать в медицине является частью процесса, называемого аддитивным производством, что означает производство трехмерных твердых объектов из цифрового файла. Эта технология в медицине и здравоохранении может произвести революцию в создании лекарств и производстве медицинского оборудования. Она также может предложить новые методы ведения медицинской практики, оптимизировать цепочки поставок, предложить более дешевые и гораздо более персонализированные медицинские услуги. Кроме того, в последнее время большое развитие получила технология печати материалов, которые могут найти применение в имплантации тканей и органов человека.
Индивидуальное медицинское оборудование
Медицинское оборудование сегодня является очень дорогостоящим. И 3D-печать, например, шин или ортезов для фиксации переломов, медицинских моделей, используемых перед операциями, или других необходимых средств для лечения может сэкономить огромные суммы денег.
Уже сейчас в Интернете можно найти чертеж для производства шины для фиксации поврежденных пальцев. Низкокачественный 3D-принтер может напечатать такую шину быстро и недорого из дешевого ABS-пластика примерно за десять минут. Для развивающихся стран, где шину часто можно заказать из-за рубежа только оптом, это может означать самое дешевое решение для бедных сообществ.
3D-печать в медицине также может стать спасением жизни - как это произошло с ребенком в США. Он родился недоношенным и страдал от трахеобронхомаляции - врожденного дефекта, при котором дыхательное горло размягчается и разрушается. Ему была сделана трахеостомия, и он был помещен на аппарат искусственной вентиляции легких, но он почти ежедневно переставал дышать. Его сердце тоже останавливалось. Его лечащие врачи напечатали на 3D-принтере биорезорбируемое устройство, которое мгновенно помогло ребенку дышать. После операции трахея постепенно восстановилась. Его организм реабсорбировал вставленную шину. Через год трубка также была удалена, не причинив никакого вреда.
3D-печать медицинского оборудования также сыграла важную роль в начале пандемии COVID-19. Срочное 3D-производство средств индивидуальной защиты буквально спасало жизни персонала больниц и пациентов. Фактически, 3D-печать стала жизненно важной технологией, поддерживающей больницы и их персонал. Общественные центры разработчиков таких устройств предоставляли в свободном доступе 3D-чертежи, помогая быстрому реагированию на пандемию.
Модели для хирургического планирования и обучения
3D-печать также может помочь в медицинских исследованиях и при проведении сложных операций. Исследователи из Китая и США создали 3D-печатные модели раковых опухолей, чтобы помочь в открытии новых противораковых препаратов и лучше понять, как опухоли развиваются, растут и распространяются. Биопечатные модели рака могут даже имитировать 3D-гетерогенность реальных опухолей.
Используя 3D-принтер, специалисты из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) и Детской больницы Рэйди смогли уменьшить время, требуемое для операции на 25%.
Этот проект сконцентрировался на лечении часто встречающегося у детей в возрасте от 9 до 16 лет заболевания бедра - эпифизеолиза* головки бедренной кости. Инженеры, работающие совместно с детскими хирургами-ортопедами, с помощью 3D-принтера разработали модели для планирования хирургических операций.
В сравнительном исследовании врачи провели операции с пятью пациентами, используя 3D-модели, сравнивая их с 5 другими операциями, которые проводились обычным способом. Согласно данным исследования, применение 3D-моделирования для планирования операции приводит к существенной экономии во времени хирургической процедуры. Помимо экономии во времени проведения операции, большим преимуществом нового метода является возможность практиковаться на модели до операции. Сложность операции заключается в том, что зона "действия" труднодоступна и плохо видна. Поэтому использование трехмерной модели для понимания анатомии и возможных трудностей перед процедурой очень полезна.
Исследователи также использовали снимки сердец животных для создания печатных моделей, а затем добавили гибкую электронику поверх этих моделей. Материал можно отклеить от напечатанной модели и обернуть вокруг настоящего сердца для идеального прилегания. Следующим шагом будет усовершенствование электроники с помощью многочисленных датчиков.
3D-печать в медицине может быть использована для печати моделей органов. Они также могут быть полезны для обучения пациентов и предоперационного планирования для хирургов. Совсем недавно ученые использовали комбинацию МРТ и УЗИ вместе с технологией 3D-печати, чтобы помочь врачам подготовиться к операциям на плоде. С помощью 3D-печатной модели врачи могут легче определить потенциальные препятствия и снизить риск операции на младенцах с врожденной инвалидностью типа расщепление позвоночника.
Протезы и имплантаты
Во всем мире более 30 миллионов человек нуждаются в протезах, а 80% людей с ампутированными конечностями не имеют доступа к современным протезам. Создание традиционных протезов требует много времени и больших усилий, а это значит, что любые изменения разрушают оригинальные формы. В сотрудничестве с Autodesk Research и CBM Canada исследователи из университета Торонто использовали 3D-печать для быстрого производства дешевых и легко настраиваемых протезов для пациентов в развивающихся странах.
Такие неправительственные организации, как Refugee Open Ware и Not Impossible, также помогают нуждающимся людям с помощью 3D-печати в медицине. Они создают с помощью 3D-печати протезы для беженцев из разрушенных войной районов. Not Impossible, например, отправила 3D-принтеры в Судан, где из-за хаоса войны у многих людей ампутированы конечности.
Персонализированные медицинские имплантаты также могут быть напечатаны на 3D-принтере. Это особенно важно в сложных и редких случаях. В 2014 году голландские хирурги заменили всю верхнюю часть черепа 22-летней женщины на индивидуальный печатный имплантат из пластика. Пациентка страдала редким заболеванием, из-за которого внутри ее черепа выросла лишняя кость, которая сдавливала мозг. Нарост был обнаружен после того, как пациентка почувствовала сильные головные боли, а затем потеряла зрение и двигательный контроль.
Новая технология 3D-печати позволяет создавать удивительно маленькие и сложные биомедицинские имплантаты. Инженеры и ученые-биомедики из университета RMIT в Австралии создали "обратную" 3D-печать, достаточно универсальную, чтобы использовать готовые материалы медицинского класса. Подход предполагает печать клеевых форм, которые затем заполняются наполнителем из биоматериала. После того как форма растворяется, остается структура биоматериала. Удивительно, но в этой методике используются стандартные 3D-принтеры, такие как те, которые сейчас часто встречаются даже в средних школах, и клей ПВА в качестве материала для печати.
С помощью этого метода можно производить матрицы (scaffolds) для клеток из различных материалов - от биоразлагаемых полимеров до гидрогелей, силиконов и керамики - без необходимости тщательной оптимизации или специализированного оборудования. Так можно создавать 3D-структуры, которые могут быть всего 200 микрон в поперечнике, что составляет ширину 4 человеческих волос, а по сложности превосходят те, которые достижимы с помощью технологий изготовления на основе света.
* Эпифизеолиз – это поражение зоны ростовой пластинки кости. Под этой областью подразумевается часть хрящевой ткани, которая размещается на конце длинных костей и постоянно развивается. От формирования ростовой пластины зависит длина и форма кости у взрослого человека. Формируется эпифизеолиз чаще всего у детей юношеского возраста. Операция применяется для восстановления нормальной работы бедренного сустава.
По материалам 3D-Printing Industry, Medical Futurist, 3DPrint.com, Medgadget.com, Wtop, University of New South Wales, The American Society of Mechanical Engineers.
