Одной из самых успешных областей медицины для 3D печати, пожалуй, можно назвать протезирование. Ведь при нынешних возможностях, люди стали получать разительно более дешевые и в то же время более качественные протезы практически всех костей в человеческом организме.
Кроме этого, в будущем, нас наверняка ждет колоссальный прорыв в трансплантологии. Над этим прорывом работает целая отрасль, именуемая 3D-биопечатью. Суть биопечати в том, чтобы в буквальном смысле изготавливать человеческие органы на специально разработанных 3D принтерах. Звучит такая перспектива, скажем прямо, как нечто из научной фантастики. Однако уже сегодня в этой сфере есть немало побед. Так, например, нам известно, что в ряду достижений ученых числится успешно вживленная в тело мыши распечатанная печень! По словам экспертов, в перспективе примерно 10-ти лет, мы сможем проводить аналогичные операции, но уже с людьми.
Что же до людей, которые как известный всем Фома не могут поверить до тех пор, пока не пощупают, можно привести в пример стоматологию. Уже сегодня, мы имеем повсеместное внедрение 3D печати в эту область медицины. Мудрые стоматологи по всему миру уже смекнули, что зубные протезы, распечатанные на 3D принтере, проще в изготовлении и имеют более точные параметры, нежели протезы произведенные вручную.
Словом, количество и качество достижений и перспектив, которые привнесла 3D печать в медицину, дает нам полное право говорить о том, что аддитивное производство - это новая веха в научно-технологической жизни человечества, ведь не каждая технология может похвастаться тем, что она спасает жизни людей.
Печать органов на 3d принтере открывает новые возможности
Особого внимания заслуживают возможности в сфере протезирования и создания экзоскелетов. Эти технологии имеют ряд неоспоримых преимуществ:- Изготовление занимает совсем немного времени благодаря специальным программам (например, Mimics, SurgiCase, SimPlant или других, используемых в медицине).
- Стоимость на несколько порядков ниже, чем при использовании обычных технологий.
- Учет индивидуальных характеристик и потребностей конкретного пациента обеспечивает комфорт, а значит, больше не нужно «подтачивать» уникальную ткань под стандартную заготовку.
Увы, на современном этапе напечатанные органы не воссоздают поврежденный оригинал, но способны функционально его заменить. Например, искусственные сердечные клапаны, суставы, зубы, слуховые аппараты и элементы конечностей с успехом выполняют функции имплантатов.
Последним же ноу-хау является печать органов на 3d принтере, при которой используется биоматериал вместо пластика или смол.
На данный момент разработаны две методики: печатать органы живыми клетками, заполняя окружающее пространство специальным коллагеновым гелем, или же помещать клетки на поверхности (или внутри) напечатанной принтером пластиковой формы. Первый способ позволил вырастить ткань кожи, второй - живую печень и почку, которые планируют использовать для экспериментов.
По подсчетам ученых, до времени, когда можно будет свободно распечатывать органы на 3d принтере, осталось лет 10.
Сегодня мы бы хотели рассказать о перспективных технологиях 3D печати в медицине.
В настоящее время широко известны применения технологии 3D печати в таких областях медицины, как или .
Однако, давайте заглянем в те области, которые только начинают осваиваться энтузиастами, и посмотрим как двигается дело в различных странах:
Так, например, немецкие ученые разработали печать костных хрящей, для людей, получивших травмы. Они могут сделать имплант для носа, ушей или коленных чашечек. Как утверждает профессор Матти Кести (Matti Kesti), эта революционная технология поможет многим людям, и значительно снизит потребность в использовании доноров.
Доклинические испытания на животных начнутся в ближайшее время, и врачи очень надеются что эта 3D технология очень поможет многим жертвам, получившим тяжелые травмы.
Но не только хрящи печатают на принтерах. Китайские ученые успешно совместили технологию 3D биопечати с имплантацией. Совсем недавно в военной больнице в Сиане успешно напечатали ортопедическую кость для кролика. Как поясняют ученые, костные дефекты, вызванные тяжелыми травмами или даже опухолями создают большие проблемы для врачей-ортопедов. В настоящее время, нет безопасных и эффективных методов лечения, хотя технология 3D печать может существенно помочь.
Разработка одинаковых биомиметических искусственных костных структур, которые разделяют все физические и химические характеристики кости может обеспечить простое решение для трансплантации. В качестве изначальных испытаниях на животных, использование 3D печати было настолько успешным, что ожидается, что подобные 3D импланты могут быть сделаны для людей с дефектами костей в ближайшем будущем.
А вот итальянские ученые из студии МНОХ недавно опубликовали исследование, в котором они предполагают, что их технология поможет заменить людям глаза. С помощью сложнейших печатных технологий создается искусственная сеть зрительных нервов.
Эта технология поможет обрести зрение тем людям, для которых слепота казалась неизлечимым приговором, а также тем, кто страдает неизлечимыми заболеваниями глаз.
Исследователи из МНОХ придумали уже несколько проектов, связанных с 3D печатью глазных яблок, которые они собираются осуществить к 2027 году.
В конце октября прошлого года, ученые Первого МГМУ им. И.М. Сеченова анонсировали проект, включающий в себя печать щитовидной железы и протестировать ее на живом организме - мыши. Необходимые элементы для печати - тканевые сфероиды - ученые получают методом последовательной обработки клеток из ткани пациента. Далее создается трехмерная модель органа, конвертируется в специальный файл и передается на 3D-принтер, печатающий клетками.
К сожалению, у нас не получилось собрать гарантированно - проверенную информацию о судьбе проекта, но вот что мы нашли: "в апреле 2015 года, в российской лаборатории биотехнологических исследований 3Д Биопринтинг Солюшенс, резиденте БМТ кластера Фонда «Сколково» напечатан органный конструкт щитовидной железы мыши. Если напечатанная железа приживется у мыши, это станет научным прорывом в 3D печати органов".
Мы в компании IGo3d Russia , внимательно следим за развитием событий во многих отраслях применения 3D печати и искренне радуемся, что в России, не смотря на высокий уровень "закрытости информации" прослеживаются интересные и перспективные разработки, на уровне мировых.
Применение 3D принтеров в медицине возможно по многим направлениям. Трехмерная печать в этой области постоянно открывает новые горизонты и то, что еще несколько лет назад считалось невероятным, сегодня вполне обыденная вещь. Уже на полном серьезе заходит речь о печати человеческих органов, в результате чего проблема их нехватки при пересадках будет вполне успешно решена. Но это все перспективы недалекого, по крайней мере, в это хочется верить, будущего, а сейчас мы рассмотрим то, что уже реально работает и помогает в решении конкретных задач.
Область применения
Производство протезов и моделей суставов наиболее успешная область, где 3D технологии произвели настоящий фурор. При помощи принтеров, работающих по технологии FDM печати, которая позволяет производить изделия методом послойного наплавления, изготавливают модели или протезы тазобедренных, плечевых, коленных суставов. С примерами таких аппаратов можно ознакомиться , на ваш выбор предлагаются как дорогие, так и вполне бюджетные варианты.
Недавно в США был разработан и изготовлен ручной протез, которым стала пользоваться 13 летняя девушка, потерявшая часть руки по локоть в результате несчастного случая. При помощи искусственной руки она с ловкостью управляется компьютерной мышкой, пьет кофе и даже играет в бейсбол. Изготовление каждого пальца занимало всего 7 минут, а внешний вид протеза привел в восхищение ее одноклассников. Но самым важным положительным моментом стала его цена - стоимость составила всего 200 долларов, что в десятки раз меньше обычных протезов. Также 3D технологии активно применяются для изготовления:
- Зубов.
- Слуховых аппаратов.
- Имплантантов.
- Хирургических инструментов.
- Ортопедической обуви.
- Учебных макетов в медицинские вузы.
Отдельно хотелось бы остановиться на имплантантах. При помощи 3D печати их изготавливают из пластика и металла. Например, для поврежденного участка черепа с успехом применяются пластины. Они дешевле своих аналогов, а время, затраченное на их производство, сокращается в несколько раз. В 2012 году для двух маленьких пациентов были изготовлены искусственные трубки, заменяющие трахеи, этим самым удалось спасти две жизни. Без этих имплантантов дети просто задыхались и не имели шанса прожить даже несколько лет. При этом стоимость работ и изготовление имплантанта была уменьшена в 5 раз.
Что нас ждет в ближайшем будущем
3D технологии находят свое применение во все новых областях медицины. Не проходит и дня, чтобы в разных уголках земного шара не было заявлено о новых возможностях этих аппаратов. Например, в Германии были проведены испытания по изготовлению костных хрящей для коленных чашечек, носа и ушей. Сейчас начаты испытания таких имплантантов на животных, после успешного завершения которых, медики планируют их вживление людям.
Их итальянские коллеги проводят испытания по созданию искусственной сети зрительных нервов. Это сложнейшая работа, но в случае ее успешного завершения, станет возможно восстанавливать зрение слепым людям. Также итальянские ученные работают над возможностью создания искусственных глазных яблок. Они планируют завершить испытания в 2027 году. Не отстают от своих европейских коллег и российские медики. В 2016 году был разработан проект по печати щитовидной железы, которую уже в ближайшем будущем будут испытывать на мышах. В производстве станут использовать тканевые сфероиды, полученные на основе соединения человеческих клеток. Если опыты будут удачными, то это станет настоящим прорывом в изготовлении и других человеческих органов.
Интенсивно развитие принтеров трехмерной печати привело к тому, что печать 3D проникла во все области науки, начиная от изготовления простых пластмассовых деталей и заканчивая применением в медицине. То что еще совсем недавно было фантазией, уже превратилось в реальность. В медицине применение трехмерных технологий развивается сразу в нескольких направлениях:
1. Сканирование органов.
2. Выпуск 3D моделей отсканированных органов. Это позволяет более точно изучить патологию, а также дает возможность попрактиковаться перед проведением операции.
3. Создание имплантов на основе трехмерных изображений пациента с учетом его функциональных особенностей.
4. Создание искусственных костей, тканей, кровеносных сосудов, вен и даже органов пациента.
Перспективы 3D технологий огромны. Стоит учесть тот факт, что они, постоянно совершенствуясь, быстро дешевеют. Использование 3D технологий в медицине позволяет сократить вероятность ошибки до минимума. Это большой прорыв в области медицины. Так, имея макет органа, который предстоит оперировать, хирург может намного лучше подготовиться к проведению операции.
©3dvita.ru
3D технологии: томография
Компьютерная томография 3D технологии – это золотой стандарт диагностирования. Трехмерное сканирование постепенно вытесняет пленочные плоскостные снимки. Такие аппараты обладают высоким потенциалом, активно используются в стоматологических исследованиях, челюстно-лицевой хирургии. Позволяют поставить максимально точный диагноз, что является гарантией полной уверенность в эффективности, качестве медицинских услуг.
3D томография является современным стандартом диагностики, что позволило выйти качеству диагностики и лечения на совершенно новый уровень. Преимущество трехмерных снимков – возможность выявить дефекты, которые часто упускаются в обычных изображениях. Это позволяет определить комплексную морфологию проблемных зон, установить более точное лечение.
3D томография — это качественное изображение, минимум облучения, а также скорость исследования и достоверная диагностика без дополнительных исследований.
3D моделирование в медицине
Трехмерные модели, создаваемые на основе компьютерной томографии в комплексе с трехмерной печатью – незаменимое достижение в области медицины. 3D моделирование в медицине позволяет создавать объемные модели. Трехмерные снимки пациентов, сделанные с помощью компьютерной томографии, трансформируются в изображение с хорошим разрешением, а затем — в трехмерные твердые 3D модели.
Это позволяет более качественно изучить особенности болезни, а также подготовиться к проведению операции. Так, для хирурга важно знать форму, очертания, особенности опухоли в трехмерном измерении, чтобы знать, как лучше действовать во время операции.
С помощью применения 3D технологий сложные операции проводятся по следующей схеме:
- сканирование;
- изготовление пластиковой модели;
- изучение и выбор метода лечения;
- собственно лечение.
3D принтеры используют в сочетании с современными системами проектирования. Так, с их помощью распечатывают клон опухоли перед операцией, чтобы лучше знать, с чем предстоит столкнуться и надлежащим образом подготовиться перед проведением операции.
3D принтер в медицине
Существует несколько примеров использования печати в медицине. В настоящее время трехмерная печать наиболее широко используется в стоматологии, хирургии. С ее помощью можно изготовить цельный имплант, который идеально подойдет конкретному пациенту, а также произвести макет больного органа для проведения более тщательной диагностики и подготовки к операции. Имея в качестве примера огромную 3D модель, хирургу проще ориентироваться во время операции.
3D принтер в медицине позволяет создавать недорогие модели, которые служат для изучения особенностей болезни. Это позволяет провести более успешную операцию, сократить ее время проведения, безошибочно подобрать схему лечения, что в разы ускоряет время выздоровления больного.
Принтеры позволяют распечатать детали больших размеров. Материалы, которые используются для печати для данных целей, не могут быть использованы для внедрения в организм. Но такие макеты позволяют производить медицинские инструменты с учетом анатомических характеристик каждого отдельного пациента.
В настоящее время 3D принтер в медицине также широко используют для изготовления различных искусственных частей тела:
- зубы;
- протезы конечностей;
- слуховые аппараты и прочее.
Технология позволяет создавать с помощью принтера различные протезы, которые идеально будут подходить для отдельного пациента. Трехмерные модели производятся из пластика или металла. Данные материалы контактируют с теплом человека, но не контактируют с кровью. Пластиковые, металлические изделия, активно развиваясь, постепенно проникают внутрь организма. С каждым днем создаются все более разнообразные импланты.
Развитие 3D сканеров влечет развитие 3D принтеров. Врачи готовы печатать не только вены, нервы, но целые органы для трансплантации. Уже сегодня протезы изготавливают не только из титана, но из собственных стволовых клеток пациента.
В протезировании преимущества 3D печати очевидны:
- скорость в сравнении с использованием технологий литья;
- легкий вес протеза, так как его пористость можно корректировать;
- пористость, что позволяет протезу быстрее обрасти живыми тканями.
Перспективы технологий 3D печати в медицине
Технологии 3D печати в медицине совершили настоящий прорыв. Человечество стоит на пороге больших перемен. Сегодня многие пациенты имеют прекрасную возможность воспользоваться результатом такого нововведения. Посредством принтеров можно напечатать не только различные протезы с учетом физиологических особенностей человека, но также живые ткани. 3D технологии также используют для изучения развития различных патологических процессов.
В настоящее время с помощью 3D принтеров создают небольшие фрагменты человеческих органов, в частности печени. Печать на принтере живых органов называется биопечатью. Вместо красок на таком принтере используются различные типы клеток: гепатоциты, клетки эпителия, звездчатые клетки. Первые искусственные ткани, произведенные таким образом, использовались для тестирования лекарств. Интересно, но клетки искусственной ткани выполняют функции печени, производя необходимые вещества.
Применение 3D технологий открывает множество преимуществ:
- совместимость имплатна с конкретным пациентом, чего сложно было добиться в случае с применением моделей, произведенных на контейнере;
- возможность превращения долгой операции в быстрый процесс.
В настоящее время трехмерные технологии уже активно используются в современной медицине. Одно из основных направлений – ортопедия, также это совершенно иной уровень диагностики и качества лечения.
Сегодня 3D технологии в медицине применяются для создания трехмерных снимков, на основе которых производятся точные копии переломов для обучения врачей, а также для изготовления точных моделей протезов. Но применение инновационных технологий на этом не ограничивается. Широкие возможности, которые открыли инновационные достижения, стимулирует двигаться дальше в этом направлении.
Не все части нашего тела имеют одинаковый «срок годности», и все чаще современная медицина преподносит нам образцы искусственных «деталей» взамен поношенных.
Но как совместить изготовленный на конвейере имплантат с всегда неповторимым пациентом?
Как избежать болезненной процедуры подведения человека под искусственные стандарты?
Как превратить долгую операцию в простую и быструю замену «деталей»?
На помощь медицине приходит технология 3-D печати.
Меняю сустав по фотографии
Крупнейшие современные 3-D принтеры позволяют распечатать деталь высотой в человеческий рост. Неудивительно, что технологиям быстрого прототипирования находится применение и в медицине, а именно, – для воссоздания тех частей человеческого тела, которые были повреждены или пришли в негодность.Материалы, используемые в трехмерной печати, не подходят для замены «сносившейся детали» в нашем организме – но эта технология дает возможность создавать медицинские инструменты, которые изготовляются под заказ для каждого пациента, в соответствии с его недугом и анатомическими особенностями.
Такие методы активно воплощаются в жизнь компанией Materialise , успешно сотрудничающей с медицинскими учреждениями разных стран мира. Программное обеспечение, изначально создававшееся программистами компании для моделирования объектов для 3-D печати, сейчас приспособлено к подготовке и планированию операций по замене суставов, челюстей, а в более тяжелых случаях – целых участков лицевого черепа. На входе специалисты Materialise получают снимки отсканированного участка тела, а на выходе в распоряжение хирурга поступают направители для сверл и лезвий, идеально соответствующие анатомическому строению пациента.
Утром – снимки, вечером - план
Одним из первых программных продуктов компании, нашедших применение в медицине, является Mimics – программа, позволяющая превратить набор томографических снимков в трехмерную модель в STL-формате (этот формат 3-D принтер способен преобразовать в реальный объект). На этом этапе осуществляется сегментация, т.е. создание на каждом снимке маски, совпадающей своими контурами с интересующим хирурга участком тела. Затем набор масок пересчитывается программой в объемный «портрет» кости.Ряд операций, таких, как установка имплантата челюсти или коленного сустава, уже не первый год подготавливают инженеры Materialise. Сотрудники компании имеют огромный опыт в этой сфере. Как правило, планирование хирургического вмешательства осуществляется инженерами в специально разработанных программах SurgiCase (в ортопедии) и SimPlant (в стоматологии).
Например, при работе с коленным суставом сотрудник обозначает на трехмерных STL-моделях костей точки и линии, соответствующие осям и направлениям вращения, сгиба и взаимного давления в суставе, подбирает имплантанты необходимого размера, следит за соблюдением всех условий, указанных хирургом. Согласно заданным точкам программа автоматически рассчитывает все параметры, влияющие на размещение имплантатов в колене, и, как результат, находит оптимальное расположение направителей для инструментов хирурга.
Готовый план поступает врачу, для удобства которого создана доступная программа Signature, позволяющая легко просматривать и корректировать параметры будущей операции.
Подписано в печать!
Наконец, вся совокупность данных импортируется в 3-matic – редактор для работы с файлами STL-формата. Программа имеет обширнейшие возможности, в числе которых –приложения, позволяющие, используя точную модель костной поверхности и параметры планирования, создавать направители, которые соответствуют операбельному участку с точностью до долей миллиметра.Из 3-matic-а STL-модели экспортируются в готовом к печати формате, после чего поступают в распоряжение инженеров, отвечающих за его успешное изготовление. Спустя время хирург получает по почте готовые направители – инструменты, позволяющие быстро, точно и безопасно провести запланированную операцию. В дополнение к ним можно заказать и модели самих костей – для предварительного ознакомления.
Это настолько удобно и практично, что многие хирурги постоянно практикуют данный метод – за несколько лет существования проекта сотрудники Materialise подготовили тысячи операций на суставах, а департамент, отвечающий за стоматологическую сферу, был выделен в дочернюю компанию Materialise Dental (жители России, Украины и др. стран постсоветского пространства имеют возможность в прямом смысле соприкоснуться с продукцией компании Materialise – с нами сотрудничают многие отечественные стоматологические клиники).
Продолжение следует
Опыт в сфере ортопедии и стоматологии дает возможность распространять такой подход на другие части тела. На подходе – операции на бедренном суставе, в активной разработке находится технология по установке сердечных имплантатов.Однако программное обеспечение, разработанное компанией, используется не только в подготовке стандартных имплантаций. Средства Mimics`а и 3-matic-а позволяют осуществлять уникальные операции, благодаря возможности воссоздать любой отсканированный участок организма и построить сложнейший 3-D объект, отвечающий этому участку анатомически. Но подробнее об этом – в другой раз.
Даниил Ткачев,
Инженер по качеству Ортопедического направления Materialise
