XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Совсем недавно 3D печать считалась чем-то за гранью фантастики, однако сегодня прототипирование плотно вошло в нашу жизнь. Массовое распространение технологии, позволяющей делать 3d печать моделей любой сложности начало сильно влиять на нашу жизнь, а дальнейшее распространение технологии, на основе которой стало возможно мелкосерийное производство, повлечет за собой еще большие перемены.

Актуальность данной темы заключается во все большем распространении технологии 3D печати и ее влиянию на медицину.

Целью работы является рассмотрение технологии 3D печати и ее использование в области здравоохранения.

Рассмотрим задачи:

- узнать про использование 3D печати в медицине

- рассмотреть 5 прорывных шагов в медицине

- рассмотреть примеры использования 3D печати

- узнать о связи 3D печати и фармацевтики

- рассказать о развитии 3D печати в России

Что такое 3D-печать и чем она полезна в медицине?

Трехмерная печать, или аддитивные технологии, - способ производства, в котором цельные трехмерные объекты создаются путем последовательного послойного нанесения материалов. Используются пластик, металл, керамика, порошок, жидкости и даже живые клетки.

Аддитивное производство - противоположность субтрактивному производству и традиционным методам, фрезеровке и резке, где облик изделия формируется за счет удаления лишнего, а не послойного соединения материалов.

Этапы создания 3D-объекта:

Моделирование объекта в компьютерной программе

Печать

Пост-обработка

3 преимущества технологии:

Скорость печати, высокая точность и построение объекта в желаемой геометрической форме.

Создание сложных и анатомически точных медицинских структур и воплощение в трехмерные осязаемые объекты стало возможно благодаря переводу данных двухмерных радиографических изображений, таких как рентгеновские снимки, МРТ (магнитно-резонансная томография) или КТ-снимки (компьютерная томография) в цифровые файлы и дальнейшему преобразованию виртуальной модели в цельное трехмерное изделие.

Чем 3D-печать полезна медицине?

Высокая точность 3D-печати костей скелета или областей мозга с новообразованиями помогают врачам и студентам медицинских вузов изучать материал, практиковаться и планировать хирургические манипуляции.

Изготовление имплантатов и протезов на заказ по индивидуальным анатомическим параметрам пациента упрощает работу врача и повышает приживаемость имплантата или протеза.

Создание новых тканей и органов на основе клеток пациента, или биопечать, дает надежду врачам и пациентам на решение проблемы нехватки доноров и материала для пересадки органов и тканей.

За 16 лет применения 3D-печати в медицине врачи во всем мире провели сотни успешных операций, а ученые продолжают исследовать возможности технологии. Западные исследователи назвали 2016 год переломным для аддитивного производства в медицине.

5 прорывных шагов в развитии 3D-печати

Первые 3D-принтеры. Вскоре после оформления патента на устройство для 3D-печати, компания Халла 3DSystems выпустила в продажу первый 3D-принтер (1988 г.). В связи с высокими затратами на оборудование сначала право на использование технологии зарегистрировали крупные промышленные корпорации, но вложения быстро окупались, и трехмерную печать стали применять в архитектуре, образовании, картографии и в розничной торговле.

История открытия 3D-печати. В ходе изготовления небольших пластиковых деталей для будущего прототипа вместо закрепления ультрафиолетовым излучением отдельных тонких слоев фоточувствительных полимеров, Ч. Халл наложил друг на друга тысячи еще более тонких слоев пластика и на каждый такой слой нанес эпоксидную смолу, которую ранее использовал для выполнения покрытий, и уже полученную форму закрепил ультрафиолетом. В результате эксперимента стало ясно, что принцип послойного наложения и склеивания пластика позволит создавать трехмерные объекты любой формы.

Технологии впервые применены в медицине. В 1999 г. группа ученых и врачей института регенеративной медицины Уэйк Форест (США) имплантировали пациенту орган, выращенный в лаборатории на основе клеток самого пациента. Операция стала прецедентом создания с помощью компьютерной томографии и 3D-принтера точной копии органа пациента - мочевого пузыря.

Создана функционирующая печень. Ученые института Уэйк Форест создали функционирующую печень на основе био-чернил. В этот раз они не просто напечатали базу для наложения живой ткани, а точно воспроизвели ткань печени. Хотя орган не подлежал пересадке, эксперимент стал впечатляющим подтверждением концепции печати органов и тканей.

Изобретены 3D-печатные инструменты для хирургов. С 2006 по 2014 года изобрели и ввели в практику хирургические инструменты: анатомические 3D-модели, учебные пособия, имплантаты и протезы, выполняемые на заказ.

Проведена операция по реконструкции лица. В 2014 году хирурги из Суонси восстановили лицо мотоциклиста, который получил серьезные повреждения в дорожной аварии. Стивен Пауэр стал первым в мире пациентом с черепно-лицевой травмой, для лечения которой на каждом этапе врачи использовали 3D-печать.

С тех пор регулярно встречаются новости об успешных операциях по вживлению имлантатов или трансплантации костей и суставов, напечатанных на 3D-принтере. Сообщения о совместном успехе ученых, докторов и инженеров приходят из Китая, США, стран Европы.

Клинические испытания 3D-протезов

В Великобритании стартовали первые в мире клинические испытания 3D-печатных роботизированных протезов верхних конечностей. Если испытания пройдут успешно, бионические протезы появятся во всех государственных госпиталях страны.

Робопротезы изготавливает компания Open Bionics. Используя возможности 3D-моделирования и печати, компания за день может создать функциональную замену верхней конечности. При этом биопротез будет соответствовать индивидуальным характеристикам пациента.

В клинических испытаниях, которые проводятся в госпитале Бристоля под присмотром британской службы здравоохранения, принимает участие 10 детей. Для них изготовили специальные роборуки, стоимость каждой из которых не превышает £5 тысяч. Более совершенные протезы стоят дороже – около £60 тысяч, однако их устанавливают только взрослым людям.

Робопротезы Open Bionics управляются с помощью специальных датчиков. Они улавливают движения мышц, разжимая или сжимая механические пальцы по желанию человека.

Open Bionics заключила безвозмездное соглашение с Disney, поэтому протезы имеют вид бионических рук героев комиксов, видеоигр или фильмов. Например, можно заказать роборуку в стиле «Железного человека» или персонажа игры Deus Ex.

Проект Open Bionics имеет все шансы на успех. На конкурсе Small Business Research Initiatives компания выиграла £100 тысяч, которые пошли на финансирование исследований и разработок. После клинических испытаний Open Bionics планирует подать заявку на получение правительственного гранта, чтобы бионические протезы появились во всех государственных клиниках Великобритании.

По статистике, в мире насчитывается более 30 миллионов людей, которые нуждаются в протезах рук. Деятельность Open Bionics предоставляет шанс многим их них установить себе качественную роботизированную конечность.

В Великобритании начались клинические испытания бионических протезов

Компания Open Bionics вместе с национальным департаментом здравоохранения Великобритании приступила к тестированию своих протезов в Бристольском госпитале. Разработчики предоставили для тестов искусственные конечности для детей разных возрастов и взрослых пациентов, которые помогут протестировать разработки инженеров. Испытания продлятся шесть месяцев, и, если всё пройдёт хорошо, бионическими протезами Open Bionics снабдят все медицинские учреждения страны.

Средняя стоимость обычной роботизированной руки Open Bionics составляет пять тысяч британских фунтов, её можно напечатать за день на 3D-принтере и чётко подогнать по размерам под пациента.

Кроме того, компания предоставляет детям возможность выбрать что-то действительно крутое — в ассортименте Open Bionics есть роботизированные руки Железного Человека, протез, стилизованный под «Звёздные войны» и девичий вариант, вдохновлённый диснеевским мультиком «Холодное сердце». Ранее разработчики воссоздали протез Адама Дженсена, главного героя игры Deus Ex.

К сожалению, детские протезы не такие совершенные, как другие «более взрослые» аналоги, но зато они очень красивые и нравятся ребятишкам. Варианты для взрослых могут стоить до 60 тысяч фунтов.

Нью-йоркская медицинская сеть NorthwellHealth проводит клинические испытания искусственных ног с напечатанными на 3D-принтере плавниками. Как легко догадаться, уникальные протезы облегчают не только ходьбу, но и плавание.

О разработке протезов под незамысловатым названием Fin («Плавник») стало известно весной прошлого года. Первым реципиентом стал ветеран Корпуса морской пехоты США Даниэль Ласко, лишившийся конечности в результате подрыва на самодельном взрывном устройстве во время службы в Афганистане. Дэн любит бултыхаться в бассейне вместе с двумя сыновьями, однако стандартный протез в таких случаях служит скорее обузой, тогда как 3D-печатные плавники компенсируют отсутствие контроля над голеностопным суставом и дают прибавку к скорости и маневренности.

Конструированием и 3D-печатью опытного протеза занимались сотрудники медицинского центра NorthwellHealth – крупнейшей медицинской сети штата Нью-Йорк, владеющей двадцатью тремя больницами. Разработчиков консультировали специалисты компании Eschen Prosthetic and Orthotic Laboratories.

Конструкция выполнена сборной: за основу взят стандартный протез, а плавники устанавливаются в случае необходимости. Плавники изготовлены из композитного материала – полимера, вероятнее всего нейлона, армированного углеволокном. В производстве использовались специализированные 3D-принтеры за авторством компании Markforged.

«У инвалидов со страстью к водным упражнениям пока что не было доступного амфибийного устройства, позволявшего по-настоящему плавать. Мы надеемся, что нам удастся разработать и другие кастомизируемые решения, которые позволят примерно двум миллионам инвалидов по всей стране вести нормальную жизнь», – прокомментировал старший вице-президент Northwell Ventures Томас Торнтон.

В исследовании принимают участие десять волонтеров, которым предстоит оценить удобство и функциональность кастомизируемых плавательных насадок. В случае положительных отзывов Northwell сможет подать заявку на сертификацию Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), а затем претендовать на финансовую поддержку со стороны Министерства по делам ветеранов США. Компания планирует вывести коммерческую версию на рынок в течение трех-пяти месяцев.

Как развиваются 3D-технологии в России?

Нижегородские врачи приволжского федерального медицинского исследовательского центра (ФГБУ «ПФМИЦ» Минздрава России) в 2016 году провели две успешные операции по вживлению протезов тазобедренных суставов, напечатанных на 3D-принтере.

Специалисты лаборатории Томского государственного университета изобрели вариант костной ткани на основе фосфора и кальция. Ученые предположили, что созданная из костей животных ткань, а, следовательно, биосовместимая с человеческим организмом, способна со временем заменить титановые имплантаты.

В клинике при Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете успешно проводят операции с применением смоделированных органов для подготовки к вмешательству при пороках сердца. Теперь для спасения ребёнка вместо нескольких сложных операций понадобится одна - длительная, но менее рискованная.

В ФГБУ «НИИ онкологии им. Н.Н. Петрова» успешно пересадили 3D-печатный костный имплантат. Пациенту заменили лонную кость, поражённую раковой опухолью. В Китае и США операции по пересадке 3D-печатных имплантатов начали проводить ещё несколько лет назад. Практически каждая из них помогла спасти человеку жизнь или вернуть возможность нормально передвигаться. И вот, подобные операции начали проводить в России.

Буквально на днях ведущие отечественные медики под руководством профессора Георгия Гафтона заменили часть кости, поражённой злокачественным образованием, на 3D-печатный титановый имплантат, изготовленный по SLS-технологии столичной компанией «Эндопринт». 3D-модели для искусственной кости были созданы на базе снимков КТ и МРТ. Операция заняла 3,5 часа.

В следующем месяце медики планируют провести ещё одну операцию по пересадке 3D-печатного имплантата. Она будет более сложной, так как в этот раз нужно будет установить протез челюсти. На данный момент пациент, которому из-за рака удалили переднюю часть нижней челюсти, ходит исключительно в маске и может питаться только с помощью шприца. Установка имплантата, уже созданного сотрудниками «3D Медицинские системы», позволит ему вернуться к нормальной жизни.

Важно отметить, что операции по установке костных имплантатов финансируются государством. Взрослому на протезирование выделяется 800 тысяч рублей, ребенку – до 1,5 миллиона.

Таким образом моделирование и 3d печать получили достаточно широкое распространение за последние два десятилетия. Технология прототипирования стала более доступной для каждого человека, но еще больший скачок произошел в промышленности.

Нельзя не отметить развитие 3d печати в медицине. Современные технологии позволяют создать искусственные органы и ткани. Также появилась возможность создания биопротезов, которые обладают намного большей совместимостью с человеком.

Подведя итог, можно сказать, что 3D печать становится все более распространенной и полезной для человека, особенно в области здравоохранения.

Литература:

1. https://3d-expo.ru/ru/article/v-rossii-proveli-pervuyu-operatsiyu-po-ustanovke-3d-pechatnogo-kostnogo-implantata-70061

2. https://3d-expo.ru/ru/article/v-velikobritanii-startovali-pervie-v-mire-klinicheskie-ispitaniya-3d-pechatnih-roboprotezov-69819

3. https://biomolecula.ru/articles/pechat-lekarstv-na-3d-printere

4. https://hi-news.ru/technology/v-velikobritanii-nachalis-klinicheskie-ispytaniya-biometricheskix-protezov.html

5. https://pechatnick.com/articles/primeri-ispolzovaniya-3d-pechati-v-medicine

6. https://www.osp.ru/medit/tag/3Dprint/

Код для цитирования: Скопировать