В сатье: об использовании аддитивных технологий в современной медицине. Все аспекты от биопечати до 3D-печати таблеток, от анатомических моделей - до хирургии.
В настоящее время 3D-печать находит всё более широкое применение в медицине.
В некоторых отраслях – например, в стоматологии 3D-печать, 3D-сканирование и цифровые технологии сделали настоящую революцию. Я уже писал об этом – здесь .
В остальных областях медицины – всё еще впереди, медицина – одна из немногих отраслей, где применение 3D-печати и оправдано и необходимо.
Это связано с тем, что все люди – разные, и к каждому требуется индивидуальных подход, а 3D-печать обеспечивает сравнительно дешевую и простую индивидуализацию типовых решений.
В медицине 3D-печать в настоящее время используются в следующих областях:
Биопечать
Печать лекарственных форм
Печать анатомических моделей
Протезирование
Травматология
Хирургия и эндопротезирование
Подробнее об этом - ниже:
Биопечать.
Самое хайповое, самое перспективное и самое переоценённое направление.
Опыты по биопечати ведутся с начала XXI века.
С одной стороны – успехи впечатляющие, вплоть до печати отдельных функциональных органов, с другой – от опытов на мышах до применения в клинической медицине – пропасть. Десятки лет клинических испытаний. И, самое главное – технологические ограничения. Одно дело – напечатать маленький орган для мыши, совсем другое – орган для человека, который намного больше. Современные биопринтеры имеют маленькое поле печати, и малые объемы емкостей для «биочернил» и просто не предназначены для крупногабаритной печати.
Кратко о биопечати и биопринтерах.
Биопечать – это печать клеточными культурами в виде геля («биочернилами») в специальном геле. Биопринтеры, в основном, представляют собой дозаторы этих «биочернил», которые находятся в шприцах. Биопринтер позиционирует иголку шприца в нужном месте в пространстве и выдавливает заданное количество «биочернил», формируя пространственную структуру из клеток, которая помещается на несколько недель в биореактор «для дозревания».
Строго говоря - биопечать, это аддитивная технология, но не 3D-печать, т.к. в ней отсутствует послойное нанесение материала. Соответственно - биопринтеры, это аддитивные установки для биопечати, но не 3D-принтеры. Но кому интересны такие тонкости? Даже специалисты относят биопечать к 3D-печати, а биопринтеры - к 3D-принтерам.
Таким образом, 3D-биопринтер состоит из систем дозирования и трехкоординатной системы позиционирования. Для ясности:
Успехи в данном направлении – печать мочевого пузыря, щитовидной железы и части печени мыши, опыты по печати роговицы глаза человека, печать искусственного мяса (мышечных волокн) и т.п.
Это все «перспективные опыты», которые еще будут продолжаться десяток лет.
Несколько примеров биопечати:
Но есть два направления в биопечати, которое используется уже сейчас в клинической практике – печать хрящей и печать кожи.
В качестве примеров – можно привести пример печати «уха» в США и операция в Госпитале им.Бурденко с печатью кожи прямо на пациенте со сложной раной.
В первом случае из образцов хрящевой ткани пациента был напечатан имплантат в форме уха, который потом был введен под кожу пациента и успешно прижился.
Во втором случае биочернила на основе клеток костного мозга и коллагена были нанесены на поверхность раны для формирования новой кожи взамен поврежденной.
В ближайшее время врачи надеются ввести в клиническую практику напечатанные кровеносные сосуды.
Печать лекарственных форм.
Здесь нет никаких технических трудностей – при помощи дозатора формируется красивая таблетка с необходим содержанием. За счет формы и структуры обеспечивается всасывание действующего вещества по заданной программе.
Красиво, хайпово, пафосно, дорого, и, очевидно – никому не нужно. Подобные проекты явно создаются с целью распила бабла и дойки инвесторов.
Хотя… кто знает – может через несколько лет напечатанные на 3D-принтеры таблетки «антигрипина» с фамилией пациента и датой/временем приема станут хитом для тех, кто может их себе позволить. Кто мог подумать двадцать лет назад, что мы будем покупать воду в магазине? В моем детстве мы пили воду из-под крана, несмотря на то, что экология была хуже, и очистные сооружения – слабее…
Протезирование.
В данном разделе речь пойдет об экзопротезах. Об эндопротезах речь пойдет чуть ниже.
Применение 3D-печати позволяют делать индивидуальные протезы.
Например, протезы глаза (декоративные, не фнукциональные), не отличимые от настоящих. Или протезы уха (ушной раковины), полностью соответствующие сохранившемуся уху.
Примеры таких протезов:
В случае протеза конечностей – возможна 3D-печать индивидуальных культеприемников, обеспечивающих комфортное ношение, и декоративных накладок, улучшающий внешний вид протеза или создающие «индивидуальный образ и стиль» пациента.
Печать анатомических демонстрационных моделей для учебного процесса и тренировки студентов и врачей
С одной стороны – такие модели нужно выпускать серийно белее дешёвыми методами, чем 3D-печать. Что, в общем-то, и делается давно и успешно. Скелет человека есть в любом кабинете анатомии в любой школе.
С другой – 3D-печать позволяет выпускать небольшие серии демонстрационных моделей по индивидуальным требованиям – например, модели, соответствующие определенным заболеваниям.
Так же следует отметить, что в случае анатомических моделей с костями, мышцами, сухожилиями и кровеносными сосудами 3D-пчеать позволяет сделать очень точные и детализированные модели, недоступные обычным технологиям.
Травматология
Есть опыт печати индивидуальных ортезов для иммобилизации конечностей при травмах (переломах, вывихах, повреждениях связок) вместо традиционных гипсовых шин и повязок.
Но каких-либо перспектив я тут не вижу – индивидуальный печатный ортез требует времени на 3D-сканирвоание, разработку и печать – несколько часов. Гипсовая повязка или ортез из стандартных термоформируемых пластин делается менее, чем за 10…15 минут.
Хирургия и эндопротезирование
В отличие от всех предыдущих, в это области 3D-печать может сделать (и уже делает) революцию, аналогичную «цифровой революции» в стоматологии.
Немного об эндопротезировании.
Термин этот очень емкий, и включает, помимо всего прочего – установку искусственных суставов и костных аугментов/имплантатов.
Применение 3D-печати (точнее – SLM 3D-печати титаном) позволяет сделать имплантаты более качественными за счет специальной «трабекулярной структуры» - пористой структуры, имитирующей строение кости. Такая структура позволяет титановому имплантату буквально «врастать» в кость (или, говоря медицинскими терминами – «резко улучшается процесс остеоинтеграции»).
Еще раз подчеркну – такую структуру можно изготовить только методом селективного лазерного плавления. Другие аддитивные методы этого не позволяют. «Шершавость» и пористость поверхностного слоя в данном случае – «не баг, а фича» - так же облегчает врастание имплантата в кость.
Единственный минус такой технологии – высокая стоимость.
Но вернемся к 3D-технологиям в хирургии.
Обычно их использование происходит по следующему алгоритму:
1. Проведение компьютерной томографии (КТ) с сохранением данных в формате DICOM.
2. Импорт данных в специализированные программы и создание трехмерной модели.
3. Экспорт необходимых трехмерных моделей в stl-формат.
4. Печать моделей на 3D-принтерах (FDM или SLA, может так же использоваться MJP).
5. Анализ напечатанных моделей «вживую» для планирования операции и тренировок.
Уже на этом этапе происходит ускорение операции и снижается риск ошибок.
6. При необходимости – разработка трехмерных моделей имплантатов, аугментов и заказ их печати на SLM или EBM 3D-принтерах.
Схематично это можно изобразить следующим образом:
Примеры индивидуальных имплантатов, напечатанных на 3D-принтере
Примеры напечатанных анатомических моделей для проведения (планирования проведения) операций и напечатанных имплантатов:
В случае, если принято решение использования стандартных аугментов, титановых сеток и т.п. – возможна индивидуализация стандартных аугментов по напечатанным моделям. Достоинства такого решения - невысокая стоимость.
К примеру в случае лечения повреждения черепа хирург во время операции вынужден брать стандартную титановую сетку и вырезать, выгибать его прямо на пациенте – высок риск ошибок, неточностей и большие затраты времени, проямо во время операции. В случае наличия распечатанного «черепа» хирург может в спокойной обстановке выгнуть и вырезать титановую сетку и потом просто «поставить на место» - время на операцию сокращается в разы, в разы снижается риск осложнений и ошибок. Снижение времени операции – это не только меньшая нагрузка на хирурга, но и меньшая нагрузка на пациента – сокращение кровопотери, времени нахождения под наркозом.
Примеры такого применения:
Пример индивидуализации аугмента по напечатанным шаблонам типа «пуансон-матрица»:
Еще ряд фотографий по теме:
Прочие применения
Из перспективных направлений, которые пока находятся в зачаточном состоянии – печать костных имплантатов из биологически разлагаемых материалов и печать экранов для лучевой терапии.
Заключение
В заключении следует сказать, что 3D-технологии в ближайшее время могут сделать революцию в хирургии и эндопротезировании.
Биопечать в ближайшее время может занять свою нишу в клинической медицине – печать хрящевой ткани и печать кожного покрова. Остальные методы биопечати в ближайшее время не выйдут из стадии опытов.
Особо следует отменить, что Россия является лидером в некоторых областях использования 3D-технологий в медицине, в частности в биотехнологиях, в разработке механической функциональной стопы для протеза.
Что касается остальных направления, особенно - то "будем посмотреть". Вряд ли хайповые печатные лекарственный формы или ортезы найдут широкое применение, но кто знает?
Следующая статья про биопечать в космосе:
