Горбатов Роман Олегович, к.м.н., доцент, врач травматолог-ортопед высшей категории, руководитель лаборатории аддитивных технологий, доцент кафедры травматологии, ортопедии и нейрохирургии им. М.В.Колокольцева ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России
В настоящее время 3D-принтеры используются в автомобилестроении, создании самолетов, строительстве домов, пищевой промышленности и, конечно же, в медицине. С каждым годом увеличивается количество медицинских специальностей, в которых применяется 3D-печать для диагностики и лечения пациентов. С помощью 3D-принтеров создаются индивидуальные медицинские изделия в травматологии и ортопедии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, кардиологии, нейрохирургии, урологии, онкологии и др.
История 3D-печати
Самый первый 3D-принтер был сконструирован Чарльзом Халлом в 1983 г. на основе технологии стереолитографии (SLA). В качестве материала для 3D-печати использовался фотополимер. Под воздействием ультрафиолетового лазерного излучения он из жидкого состояния «превращался» в пластиковый объект определенной формы. В последующем были разработаны другие технологии 3D-печати с использованием различных материалов, включая термопластик, титановый сплав, керамику и др. С 1990-х годов 3D-принтеры начинают применять в медицине для создания макетов для предоперационного планирования, хирургических направителей, а также имплантатов для замещения дефектов черепа. В 2010 году с помощью биопринтера в компании «Organovo» (США) впервые был напечатан кровеносный сосуд из стволовых клеток. Через 5 лет в Институте регенеративной медицины Университета Wake Forest (США) были изготовлены с использованием биопечати фрагменты мышечной и костной ткани. В августе 2015 года фармацевтическая компания Aprecia Pharmaceuticals получила разрешение FDA на использование 3D-печати для создания лекарственных средств. Первым препаратом, созданным с помощью 3D-принтера, стал «Спритам», предназначенный для лечения эпилепсии. В Российской Федерации медицинская 3D-печать начинает активно развиваться с 2016 года, когда в г. Н. Новгород состоялась I Всероссийская конференция «3D-инновации в медицине и фармакологии». Врачи, ученые и специалисты в области аддитивных технологий из различных регионов России представили 24 доклада, включающих результаты фундаментальных исследований материалов для 3D-печати, биопечать стволовыми клетками, а также применение 3D-принтеров в различных медицинских специальностях. В июне 2016 г. в России была создана Ассоциация специалистов по 3D-печати в медицине. Благодаря ей в нашей стране было разработано более 30 новых методик лечения пациентов с использованием аддитивных технологий.
Современные направления применения 3D-печати в медицине
В настоящее время 3D-печать в медицине применяется для создания макетов для обучения и предоперационного планирования, индивидуальных ортезов и протезов, ортопедических стелек, имплантатов, хирургических направителей и шаблонов, медицинского инструментария, лекарственных препаратов, органов и тканей человека.
Макеты для обучения
В большинстве случаев обучение студентов анатомии человека проводится с использованием кадаверных препаратов. Кроме того, многие хирурги обучаются выполнению различных операций на трупном материале. Однако даже в ведущих медицинских вузах мира кадаверные препараты для отработки мануальных навыков студентов (особенно для будущих врачей хирургических специальностей) становятся все менее доступны. Тем более очень трудно найти достаточное количество трупного материала с определенной патологией. Благодаря развитию современных технологий 3D-печати появилась возможность создания реалистичных 3D-моделей различных биологических объектов. В отличие от большинства макетов, изготавливаемых по другим технологиям, 3D-печать позволила воссоздать максимально точно не только внешнюю, но и внутреннюю структуру органа, в том числе имеющего определенную патологию. Кроме того, большое разнообразие материалов для 3D-принтеров позволяет изготавливать макеты, включающие как твёрдые, так и мягкие ткани. Благодаря развитию аддитивных технологий обучение студентов и врачей на реалистичных симуляционных макетах (рис.1) становится все более доступным, увеличивается количество исследований, подтверждающих их максимально точное соответствие биологическим объектам.
Макеты для предоперационного планирования
Другим направлением применения макетов, изготавливаемых на 3D-принтере, является предоперационное планирование (рис.2). Оно осуществляется на этапе подготовки к различным видам операций, включая эндопротезирование, коррекцию многоплоскостной деформации, остеосинтез многооскольчатого перелома и др.
Индивидуальные макеты, изготавливаемые на 3D-принтере по данным КТ или МРТ, позволяют подобрать необходимые по размеру имплантаты, металлофиксаторы, а также отрепетировать предстоящее оперативное вмешательство, отработать все его нюансы. Их применение в оперативном лечении пациентов привело к сокращению продолжительности операций, объема кровопотери и частоты осложнений.
Индивидуальные ортезы
Ортезы, изготавливаемые на 3D-принтере, применяются для лечения пациентов с травмами и различными заболеваниями опорно-двигательного аппарата (рис.3). Их преимуществами являются: индивидуальность, сетчатая структура, влагостойкость, эстетичный вид, термопластичность и др. Кроме того, благодаря компьютерному моделированию и 3D-печати, достигается возможность создания ортезов для иммобилизации поврежденных структур (создания их неподвижности) в любых положениях и при любых патологиях.
Индивидуальные ортопедические стельки
Благодаря развитию медицинской 3D-печати появилась возможность создания с помощью 3D-принтера индивидуальных ортопедических стелек (рис.4) для лечения пациентов с различными деформациями стопы, включая плоскостопие. Они позволяют нормализовать нагрузку на различные отделы стопы при стоянии, ходьбе и даже беге.
Индивидуальные имплантаты
В результате травм или различных заболеваний опорно-двигательного аппарата возможно образование костных дефектов. Одним из методов их замещения является использование индивидуальных имплантатов, изготавливаемых с помощью 3D-печати. С целью их создания из костнозамещающего материала (например, костного цемента) применяется технология, включающая несколько этапов (рис.5). Первоначально по данным КТ пациента создается компьютерная 3D-модель имплантата. Затем выполняется ее гибридное параметрическое моделирование и топологическая оптимизация. После этого создается компьютерная модель матрицы имплантата, внутренняя поверхность которой с точностью до 0,1 мм соответствует его внешней поверхности. Затем она изготавливается на 3D-принтере и стерилизуется. После этого в условиях операционной в матрицу «заливается» жидкий костный цемент. Когда он затвердевает, она разбирается, а имплантат устанавливается в костный дефект пациента.
Перспективные направления развития медицинской 3D-печати
С каждым годом возрастает количество научных исследований по применению биопечати в создании органов и тканей человека. Они уже используются в лечении пациентов с различными заболеваниями. Кроме того, с их применением проводятся исследования по оценке безопасности косметических средств. Другим перспективным направлением развития аддитивных технологий является 4D-печать, включающая изготовление на 3D-принтере медицинских изделий, изменяющих свою форму и/или размеры в течение определенного периода времени. Например, стенты для лечения детей с различными патологиями дыхательной системы. В настоящее время активно развивается 3D-печать имплантатов с разными видами покрытий, которые могут обладать антибактериальными свойствами или ускорять процессы врастания в них костной ткани пациента. Кроме того, перспективным направлением является создание с помощью 3D-принтеров протезов для лечения пациентов с ампутированными конечностями. Они позволяют не только совершать определенные виды движений, но и ощущать тепло или холод при прикосновении к разным объектам. Также существуют и другие направления развития 3D-печати в медицине, которые уже в ближайшем будущем позволят значительно улучшить результаты лечения пациентов с различными заболеваниями.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки