Одним из самых ярких и социально значимых прорывов последних десятилетий стало внедрение технологий 3D-печати в сферу протезирования. Протезирование с использованием 3D-печати — это высокотехнологичный процесс применения 3D-принтеров для проектирования, моделирования и создания искусственных, пригодных для повседневного ношения частей тела, таких как ноги, кисти рук и полноценные руки.
По сравнению с традиционными, десятилетиями применяемыми методами производства, это относительно новый подход, который уже успел доказать свою невероятную эффективность и перспективность. Материалы, используемые при создании 3D-печатных протезов, легкодоступны на рынке, экономичны в закупке и обладают исключительно малым весом. Все это делает производственный процесс не только более удобным для инженеров и врачей, но и предоставляет благоприятную, жизненно важную альтернативу для миллионов пациентов по всему миру, которые остро нуждаются в протезировании.
В этой статье мы подробно рассмотрим, что именно представляет собой 3D-печать в контексте протезирования, как она применяется на практике, изучим увлекательную историю возникновения этой технологии, проанализируем стоимость готовых изделий, а также выделим ключевые преимущества, которые она приносит людям.
Что такое 3D-печать в протезировании?
В своей основе протезирование с помощью 3D-печати представляет собой использование технологий аддитивного производства (процесса, при котором материал добавляется и наслаивается шаг за шагом) вместо традиционных методов субтрактивного производства (когда лишний материал отсекается, вытачивается или фрезеруется из цельного куска заготовки) для создания функциональных искусственных частей тела.
Потребность в таких медицинских изделиях возникает у людей по множеству различных, зачастую трагических причин. Часть пациентов теряет конечности в результате серьезных травматических событий: автомобильных аварий, производственных инцидентов или военных действий. Существуют также врожденные нарушения (аномалии, присутствующие у человека с самого рождения), из-за которых конечность может быть недоразвита или отсутствовать вовсе. В других сложных медицинских случаях операция по ампутации становится суровой необходимостью — например, когда конечность пациента серьезно поражена тяжелым заболеванием, которое приводит к атрофии мышечных тканей и их разложению (например, при гангрене). Вне зависимости от первопричины потери конечности, 3D-печатные протезы служат надежной, эстетичной и функциональной заменой недостающих частей тела, возвращая людям самостоятельность.
Как 3D-печать используется в протезировании?
Применение 3D-печати на практике доказало свою колоссальную полезность при создании протезов по целому ряду фундаментальных причин. Использование технологий трехмерной печати для изготовления индивидуальных искусственных конечностей приводит к значительному и ощутимому сокращению времени производства, резкому снижению итоговой стоимости изделия и радикальному уменьшению его веса.
Протезы, производимые традиционными методами, требуют соблюдения строгих, многоэтапных и крайне трудоемких процедур: от создания гипсовых слепков до ручной подгонки деталей. Все это делает их очень дорогими. Для сравнения, стандартный функциональный протез руки, изготовленный классическим способом, обычно стоит более 2000 долларов США, а цены на продвинутые модели исчисляются десятками тысяч. Более того, человеку, перенесшему ампутацию, зачастую приходится ждать длительное время — обычно в диапазоне от 3 до 6 недель — пока произойдет процесс снятия мерок, изготовления, предварительной подгонки и окончательной доставки изделия. С другой стороны, 3D-печать протезов невероятно доступна по цене, отличается минимальным временем выполнения заказа, а все необходимые полимеры легкодоступны. Современный 3D-печатный протез руки может стоить около 395 долларов США и быть полностью напечатан всего за один рабочий день.
Когда был создан первый 3D-печатный протез?
Первые активные попытки ученых, инженеров и медиков создать 3D-печатные протезы предпринимались еще в период с 1990 по 1999 год. В то десятилетие произошел значительный научный прорыв, поскольку в ходе исследований были успешно созданы первые 3D-печатные зубные имплантаты и прототипы биосовместимых тканей. Однако разработка полноценных 3D-печатных протезов рук, пальцев или ног все еще оставалась предметом глубоких теоретических изысканий. Наконец, после многих лет проб и ошибок, в 2011 году был создан первый в мире рабочий прототип 3D-печатного протеза кисти руки.
Кто создал первый 3D-печатный протез?
Создателем первого 3D-печатного протеза стал американский художник, дизайнер и энтузиаст Иван Оуэн (Ivan Owen) в 2011 году. Примечательно, что именно 3D-печатный протез не был его самой первой разработкой — изначально он сконструировал механическую руку-манипулятор. Оуэн смастерил этот механизм специально для участия в конвенции поклонников стимпанка и опубликовал видеоролик о процессе ее создания в сети.
Это видео привлекло внимание, и вскоре состоялось сотрудничество Оуэна с плотником, который лишился пальцев в результате несчастного случая. Вместе они доработали конструкцию. Вскоре об этом проекте узнала одна мать из Южной Африки. Ее маленькому сыну срочно требовалась искусственная кисть из-за синдрома амниотических перетяжек, но традиционные протезы были невообразимо дорогими (особенно с учетом того, что дети быстро растут). Оуэн, проникнувшись этой историей, обратился к компании-производителю 3D-принтеров с просьбой пожертвовать два аппарата для благого дела. Его просьба была оперативно удовлетворена, и благодаря этому Иван смог дистанционно создать и распечатать первый в мире 3D-печатный протез кисти для мальчика. Проблема того, что ребенок быстро перерастет свой протез, перестала быть препятствием, поскольку технология цифровой 3D-печати позволяет в любой момент легко масштабировать модель в программе и перепечатать ее под новые размеры.
Самые распространенные виды 3D-печатных протезов
На сегодняшний день с помощью 3D-технологий изготавливаются различные заменители конечностей. К наиболее распространенным из них относятся:
- 3D-печатная кисть руки: Протезы кистей создаются для людей, которые перенесли ампутацию на уровне запястья. Огромную роль здесь играет организация E-nable — глобальная ассоциация, объединяющая сеть мейкеров, инженеров и гуманитарных деятелей. Они разрабатывают различные 3D-модели кистей рук, публикуют их в открытом доступе, печатают и абсолютно бесплатно жертвуют сотням нуждающихся людей по всей планете.
- 3D-печатная рука (предплечье и плечо): Такие протезы могут представлять собой комбинацию кисти и предплечья или же охватывать всю руку целиком. Одним из самых известных примеров является Hero Arm («Рука Героя») — первый в истории клинически одобренный 3D-печатный бионический протез руки. Среди его впечатляющих функций: способность «давать пять», надежно захватывать предметы, показывать «большой палец вверх» и осуществлять тонкий щипковый захват. Протез эстетически привлекателен и обожаем детьми, так как имеет сменные панели в стиле популярных супергероев. Миоэлектрическая функциональность (считывание импульсов мышц) позволяет пользователю иметь интуитивный уровень контроля над устройством.
- 3D-печатная ступня: Протезы ступней возвращают пользователям возможность комфортно ходить. Обычно они конструируются с использованием эластичных пяточных конфигураций или систем SACH (сплошная щиколотка с амортизирующей пяткой). Примером служит Upya от компании Exoneo — доступный, динамичный и полностью биомеханический протез, который точно копирует анатомию человеческих пальцев, лодыжки и пятки, позволяя пользователям испытывать ощущения, близкие к ходьбе на естественной ноге.
Безопасно ли использовать 3D-печатные протезы?
Да, использование 3D-печатных протезов абсолютно безопасно, при условии, что в процессе их изготовления соблюдаются правильные спецификации и высокие стандарты качества. Прочность и физико-механические свойства материалов, используемых при печати, являются главным критерием для обеспечения безопасности изделия. Неподходящие или дешевые материалы могут легко сломаться из-за неспособности выдерживать вес пользователя или ежедневные динамические нагрузки.
Основные преимущества и используемые материалы
Ключевые преимущества 3D-печатных протезов перед традиционными — это возможность масштабирования и точной индивидуальной калибровки моделей, экономическая доступность, невероятная скорость производства и повсеместная доступность материалов.
Для печати используются материалы, отличающиеся высокой прочностью при минимальном весе, чаще всего специализированные конструкционные пластики. В качестве дополнительного усиления внутренняя структура может включать детали из углеродного волокна (карбона), титана или алюминия. Вес искусственного протеза зависит от его типа и материалов. Для сравнения: 3D-печатный протез при ампутации выше колена весит всего около 1,54 кг, в то время как его традиционный аналог весит в среднем 3,62 кг, что колоссально влияет на комфорт при ежедневном ношении.
Срок службы и стоимость
Протез, произведенный с соблюдением всех технологий, прослужит около 3–5 лет. Однако быстрорастущим детям требуется периодическая замена комплектующих, так как они физически вырастают из габаритов устройства.
Что касается стоимости, 3D-печатные решения поражают своей доступностью. Базовый рабочий протез можно изготовить всего за 395 долларов (в отличие от тысяч долларов за классические аналоги). Конечно, высокотехнологичные бионические проекты стоят дороже. Например, протез Hero Arm от компании Open Bionics оценивается в диапазоне от 10 000 до 20 000 долларов, что, тем не менее, все равно дешевле традиционных бионических протезов.
Стоит особо отметить благотворительные организации, такие как Kinetic (основанная Мэтом Боутеллом) и Free 3D Hands. Они не только бесплатно распространяют готовые протезы, но и предоставляют обучающие руководства по сборке для тех, кто хочет напечатать протез самостоятельно в домашних условиях. Для поиска компонентов и материалов часто используются специализированные торговые площадки, такие как Indiamart.
Будущее 3D-печати в протезировании
Хотя индустрия 3D-печатных протезов всё ещё находится на стадии своего раннего развития, её потенциал грандиозен. Было бы ошибочно полагать, что технология сиюминутно и полностью заменит традиционное производство — скорее, они будут существовать параллельно. Важнейшим фактором остается консервативность медицинской отрасли. Тот факт, что первая 3D-печатная бионическая рука уже получила официальное клиническое одобрение, открывает новые двери. По мере того как регулирующие органы здравоохранения будут проявлять больше интереса и выдавать соответствующие сертификации, 3D-печать в протезировании будет становиться все более укоренившимся и спасительным стандартом современного общества.