XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

В настоящее время аддитивные технологии широко используются в различных сферах клинической медицины. Особенно заметное распространение 3D-печать получила в травматологии и ортопедии для создания индивидуальных медицинских изделий, таких как имплантаты, протезы, направители, хирургические шаблоны, ортопедические стельки и ортезы. В данной работе подробно рассматриваются ключевые принципы медицинской 3D-печати, а также представлена актуальная классификация 3D-принтеров, таких как FDM, SLA, SLS и других, основанных на различных технологиях печати. Кроме того, обсуждаются основные преимущества и недостатки упомянутых типов 3D-принтеров, а также их клиническое применение в травматологии и ортопедии.

Исторический путь до 3D-печати в травматологии и ортопедии

Травматология - раздел клинической медицины, изучающий повреждения опорно-двигательного аппарата (костей, суставов, мышц, связок, сухожилий). Ортопедия (греч. orthos - прямой, правильный и paideia - воспитание, обучение) - раздел клинической медицины, а точнее хирургии, изучающий профилактику, диагностику и лечение деформаций и нарушений функций костно-мышечной системы, которые являются результатом врожденных дефектов, пороков развития, последствий травм или заболеваний.

Для понимания исторического пути, пройденного травматологией в рамках развития всей медицины, необходимо говорить об учёных, внёсших наиболее значительный вклад в её развитие.

Термин «Ортопедия» впервые ввел профессор Парижского университета Николя Андри в 1741 году. Свои наблюдения за детьми с различными деформациями тела он изложил в двухтомном руководстве "Ортопедия или искусство предупреждать и исправлять деформации тела у детей средствами, доступными отцам, матерям и всем тем лицам, которым приходится воспитывать детей". При исправлении деформаций нижних конечностей он рекомендовал прибинтовывать их к боковым шинам, для наглядности дал рисунок искривленного дерева, подвязанного к жерди. Этот рисунок и представляет сегодня эмблему ортопедии.

Основателем как медицины в целом, так и травматологии, и ортопедии в частности, является великий врач Древней Греции Гиппократ (≈ 460 - 377 годы до н. э.). Особе важными для развития травматологии считаются два сочинения, «О переломах» и «О суставах», которые возможно, являются частями одного большого труда, полный текст которого утрачен.

Большую роль в развитии травматологии сыграл Авл Корне́лий Цельс (ок. 25 до н.э.— ок. 50 н.э.) - римский ученый-энциклопедист. Он описал пластические операции по восстановлению носа, губ и ушей.

Развитие Российской ортопедии связано, прежде всего, с именем Генриха Ивановича Турнера (1858-1941гг) – одного из основателей Санкт – Петербургской школы травматологии и ортопедии, организатор и руководитель (с 1900 г.) первой в России кафедры и клиники ортопедии.

Другим выдающимся представителем Российской ортопедии считают Романа Романовича Вредена (1867 – 1934гг). По поручению правительства он в 1906г возглавил первый в России Ортопедический институт. Предложил около 30 оперативных методов лечения ортопедических деформаций и заболеваний (плоскостопие, искривление позвоночника, детские параличи и др.), получивших широкое распространение под названием "операции Вредена".

В Москве основателями этого направления медицины были Георгий Сергеевич Бом (1887-1945)- один из основоположников ортопедической науки и практики. Он занимался организацией лечения детских ортопедических заболеваний, костно-суставного туберкулеза, им были разработаны оригинальные оперативные методы лечения врождённой патологии у детей. Другой крупнейший специалист Краснобаев Тимофей Петрович (1865 -1952) основоположник советской детской хирургии, ортопедии детского возраста. Много внимания уделял вопросам лечения костного туберкулёза у детей.

Кроме этого, среди Российских ортопедических школ следует выделить Казанскую, возглавлявшуюся Михаилом Осиповичем Фридландом (1888-1967). Им были разработаны методы исследования функции стопы, положенные в основу современной подометрии, методы лечения туберкулёза, операции при спастических параличах и т.д.

И, безусловно, крупнейшим Российским специалистом в ортопедии, всемирно – признанным основателем нового учения и целого направления, стал академик Илизаров Гавриил Абрамович (1921-1992). Российский хирург, академик РАН (1991). Впервые ввел в практику бескровное лечение переломов трубчатых костей с помощью сконструированного им аппарата; создал аппарат (1951), позволивший разработать новый метод компрессионно-дистракционного остеосинтеза - замещение дефектов трубчатых костей путем удлинения одного из отломков (1967).

Сегодня активное развитие травматологии и ортопедии в России продолжается. В крупнейших научно - исследовательских институтах Санкт – Петербурга, Москвы, Новосибирска, Кургана и др. разрабатываются новые, высокоэффективные методы лечения больных с заболеваниями и повреждениями костно-мышечной системы.

Травматология и ортопедия требует сверх точности и индивидуального подхода к каждому пациенту. Традиционные методы планирования операций часто недостаточно точны и могут не учитывать индивидуальные анатомические особенности. В последние годы 3D-печать становится важным инструментом, позволяющим значительно улучшить качество хирургического вмешательства и повысить его эффективность.

Исторический путь использования 3D-печати в травматологии и ортопедии начинается с разработки технологии послойного изготовления физических трёхмерных объектов на основе их цифровых данных.  Это сделал американский исследователь Charles W. Hall в 1984 году. В 1986 году он получил патент на своё изобретение и назвал технологию «стереолитографией» (stereolytography, или SLA). После получения патента Чарльз Хулл основал компанию 3D Systems и разработал первый промышленный станок для 3D-печати. 

В 1987 году Carl Deсkard и Joe Beaman в Техасском университете разработали и запатентовали технологию селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering, или SLS). Втомжегоду Cubital Company вИзраилеразработала Solid Ground Curing technology (SGC). В 1995 году в Массачусетском университете был впервые предложен термин «3D-печать».

История 3D-печати в травматологии и ортопедии в России начинается с 2015 года, когда была проведена первая в стране операция по эндопротезированию тазобедренного сустава с применением индивидуального вертлужного компонента, напечатанного на 3D-принтере.  В 2016 году была зарегистрирована Ассоциация специалистов по 3D-печати в медицине, которая объединяет опыт ведущих российских и зарубежных специалистов, занимающихся данной проблемой.

Методы 3D-печати в травматологии и ортопедии

Существует множество методов 3D-печати. Наиболее известные из них:

Экструзионная печать (FDM) в медицине — это технология послойного наложения расплавленной нити. Построение объекта идёт за счёт расплавления нити пластика, которая через экструдер подаётся на рабочую поверхность.

С помощью FDM можно печатать индивидуальные модели органов для лучшей визуализации и более точного планирования хирургического вмешательства. В травматологии и ортопедии эта технология позволяет создавать: модели костей для предоперационного планирования; специализированные индивидуальные инструменты и направители; индивидуальные имплантаты для замещения костных и суставных дефектов; индивидуальные ортезы и ортопедические стельки, максимально точно соответствующие индивидуальной анатомии пациента; биопечать — печать костной и хрящевой ткани.

Фотополимеризация (SLA и DLP) в медицине позволяет с высокой точностью создавать изделия из фотополимерных смол. Эти технологии подходят для производства деталей с гладкой поверхностью и сложными геометрическими формами.

Технология SLA основана на использовании ультрафиолетового (УФ) лазера, который последовательно «рисует» слои будущего изделия на поверхности жидкой фотополимерной смолы. Под воздействием УФ-излучения смола полимеризуется, твердеет, что позволяет пошагово создавать трёхмерный объект. 

Технология DLP, в отличие от SLA, использует проектор для проецирования изображения каждого слоя на всю поверхность смолы одновременно. Это позволяет значительно ускорить процесс печати, так как за один цикл облучения формируется целый слой изделия.

В травматологии и ортопедии эти технологии применяются при создании индивидуальных экзопротезов, ортезов, индивидуальных стелек, хирургических шаблонов для остеотомий или резекций, высокоточных трёхмерных моделей для предоперационного планирования. Кроме того, с помощью 3D-принтеров создаются индивидуальные имплантаты из титана и костнозамещающего материала для замещения любых по форме, сложности и размерам костных дефектов. 

Порошковые технологии (EBM, SLM, SLS, DLMS) в травматологии и ортопедии позволяют создавать индивидуальные имплантаты из титана и костнозамещающего материала для замещения любых по форме, сложности и размерам костных дефектов. 

Электронно-лучевая плавка (EBM). В основе технологии лежит использование электронных пучков высокой мощности для сплавки металлического порошка в вакуумной камере с образованием последовательных слоёв, повторяющих контуры цифровой модели. Селективное лазерное спекание (SLS). Технология основана на спекании порошковых материалов с помощью луча лазера. С её помощью из металлических порошков создают индивидуальные имплантаты для замещения дефектов костной ткани.

Селективное лазерное плавление (SLM). Метод даёт возможность изготавливать деталь послойно с избирательным накоплением материала. Процесс начинается с CAD- или STL-файла и представляет собой прохождение точного лазерного луча через тонкие слои металлического порошка для выборочного плавления сложных геометрических форм. 

EBM-, SLA-, SLS- и DLMS 3DР идентичны по точности получаемых биомоделей, но являются в разы более дорогостоящими по сравнению с FDM.

Ламинирование (LOM) — технология аддитивного производства, использующая листовой тип сырья. Подразумевает поэтапное склеивание листов бумаги, пластика или металлической фольги с последующим формированием контура при помощи лазерной резки. 

В травматологии и ортопедии технология LOM применяется для создания прототипов костей, органов, протезов. Модели для этого получают в результате исследований организма методами МРТ, КТВР и другими. 

С помощью LOM-печати создают индивидуальные имплантаты из титана и костнозамещающего материала, которые позволяют замещать любые по форме, сложности и размерам костные дефекты, а также создавать гибридные экзопротезы. 

Струйный метод 3D-печати позволяет создавать объёмные изделия слой за слоем, нанося фотополимерные смолы пьезоэлектрическими головками и сразу же отверждая их ультрафиолетовыми лампами.  Технология позволяет получать окрашенные и прозрачные модели с различными механическими свойствами: это могут быть как мягкие, резиноподобные изделия, так и твёрдые, похожие на пластики. 

В травматологии и ортопедии струйный метод 3D-печати применяется для создания костных имплантов, ортезов, протезов и других медицинских устройств. Эта технология позволяет адаптировать изделия под конкретные анатомические особенности пациента, что повышает их эффективность и снижает риск отторжения.

Определение подходящей технологии 3D-печати в каждой клинической ситуации зависит от требований к индивидуальному медицинскому изделию, его стоимости и сроков производства.

Этапы создания персонализированного изделия

Для создания персонализированного медицинского изделия на первом этапе пациенту выполняется мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) с интервалом 1-2 мм. Это исследование генерирует послойные изображения изучаемого органа, которые сохраняются в формате DICOM и переносятся в программу для создания 3D-модели (3DM). На втором этапе при помощи специализированного ПО формируется объемная полигональная модель 3DM. После этого может быть осуществлено ее производство с помощью 3D-принтера или проводится компьютерное моделирование, включая создание 3DM-имплантата и хирургического шаблона. По завершении компьютерного моделирования проходит аддитивное производство персонализированного медицинского изделия. Для получения данных, необходимых для 3DM-модели, можно использовать 3D-сканирование и измерение антропометрических характеристик пациента.

Преимущества 3D-печати в травматологии и ортопедии

• Индивидуализация лечения: 3D-печать позволяет создавать точные модели анатомии пациента на основе медицинских изображений (КТ, МРТ). Это дает возможность хирургу более детально планировать операцию и предсказывать возможные осложнения.

• Упрощение хирургического процесса: Печать хирургических шаблонов и направляющих значительно ускоряет выполнение операций и повышает их точность. Хирурги могут заранее отработать сложные моменты, что снижает время операции и анестезии для пациента.

• Высокая точность: Использование 3D-моделей позволяет достигать высокой точности при восстановлении тканей и функциональных структур. Это особенно важно при реконструкции лицевой области, конечностей и других сложных анатомических областей.

• Сокращение времени реабилитации: Высокая точность операций может привести к снижению количества вторичных операций и сокращению времени восстановления пациента.

Применение 3D-печати в различных областях медицины

• Челюстно-лицевая хирургия: Печать моделей челюстей и зубов для более точного планирования операций по восстановлению лицевых структур.

• Пластическая хирургия: Использование 3D-печатных методов для изготовления кожных накладок, которые могут применяться в восстановительных операциях при ожогах или травмах.

• Ткани и органы: исследуются возможности печати биологических тканей и органов, что в будущем может революционизировать подходы к трансплантации и восстановлению.

Помимо основного назначения 3D-печать может использоваться в следующих направлениях:

• Подготовка к хирургическим вмешательствам и обучение студентов.

Учитывая индивидуальные анатомические особенности пациента, можно применять 3D-модели для подготовки к операциям. Наличие у хирурга осязаемой модели органа, созданной на основе КТ, существенно снижает вероятность ошибок. Тренировка с использованием 3D-моделей более эффективна, чем работа с трупами, так как такие модели дают возможность имитировать необходимую патологию. С помощью 3D-печати можно создавать органические структуры, включая нейроанатомические модели, которые помогают нейрохирургам лучше понять сложные анатомические элементы. Биопечать является одной из техник, используемых в медицине, она позволяет создавать искусственные ткани на основе живых клеток для исследований и в качестве замены донорским материалам.

• Печать хирургических инструментов

Современные хирурги стремятся минимизировать травматичность, и 3D-печать помогает разработать индивидуальные инструменты в краткие сроки. Стоматологи могут создавать направляющие прямо при пациенте, что уменьшает риск повреждения зубов. Протезирование и изготовление имплантатов становятся более эффективными благодаря переводам медицинских изображений в 3D-модели. Это особенно актуально в ортопедии и нейрохирургии, где стандартные размеры зачастую не подходят конкретным пациентам.

Несмотря на значительно возрастающее применение 3D-печати в медицинской деятельности, существуют несколько критических недостатков и ограничений, которые необходимо учитывать. Во-первых, качество и биосовместимость используемых материалов часто остаются предметом обсуждения. Не все 3D-печатные материалы обладают необходимыми свойствами, чтобы удовлетворять требования медицинских стандартов, что может привести к осложнениям и снижению эффективности лечения.

Во-вторых, недостаток специализированного оборудования и технологий в некоторых медицинских учреждениях ограничивает широкое внедрение этой технологии. Высокая стоимость 3D-принтеров и поддерживающего программного обеспечения может стать серьезным барьером для многих больниц, особенно в развивающихся странах.

Кроме того, процесс проектирования и создания индивидуальных имплантатов или моделей может занять значительное время, что важно в критических ситуациях. Наконец, стоит отметить, что необходимость в высокой квалификации сотрудников для работы с 3D технологиями также представляет собой ограничение, способное снизить общую эффективность применения данной инновации в медицинской практике.

Заключение

С каждым годом аддитивные технологии 3D-печати активно проникают в практическое здравоохранение. Увеличивается количество разработок технологий, оборудования и материалов для медицинской 3D-печати. С каждым годом растет число успешно пролеченных пациентов с использованием аддитивных технологий. В настоящее время медицинская 3D-печати применяется в таких областях, как нейрохирургия, травматология и ортопедия, для создания ортезов, стелек, корсетов, учебных макетов для подготовки и предоперационного планирования, индивидуальных имплантатов и инструментария для их установки, а также персонализированных направителей и многих других решений. Аддитивные технологии становятся одним из ключевых инструментов в сфере персонализированной медицины.

Развитие технологий 3D-печати привело к значительному прогрессу в травматологии и ортопедии, открыв новые горизонты в лечении пациентов. Персонализированный подход, возможность создания сложных анатомических моделей, использование биосовместимых материалов – все это делает 3D-печать мощным инструментом в руках хирургов.

В заключение, хотя стоимость оборудования и материалов, время печати, и вопросы регулирования остаются ключевыми факторами, 3D-печать демонстрирует огромный потенциал для революции в травматологии и ортопедии. Дальнейшие исследования и разработки, сосредоточенные на совершенствовании технологий, разработке новых биоматериалов и улучшении процессов подготовки данных, способны полностью раскрыть возможности этой технологии. Это позволит создавать более эффективные и адаптивные ортопедические решения, улучшая результаты лечения и качество жизни пациентов. В перспективе, 3D-печать может сыграть решающую роль в создании индивидуализированных имплантатов, позволяя более точно реконструировать поврежденные ткани и обеспечить более пролонгированное и эффективное лечение.

Литература

1. Мартелли Н., Серрано К., ван ден Бринк Х., Пино Ж., Проньон П., Борже И., Эль Батти С. Преимущества и недостатки 3D-печати в хирургии: систематический обзор. Хирургия. 2016 июнь; 159 (6): 1485-1500. doi: 10.1016/j.surg.2015.12.017. Опубликовано 30 января 2016 г. PMID: 26832986.

2. Безгодков Ю.А., Общие вопросы травматологии и ортопедии: Учеб.-метод. пособие для студентов и врачей / Ю. А. Безгодков, А. Ф. Романчишен, Т. П. Воронцова; М-во здравоохранения Рос. Федерации. С.-Петерб. гос. педиатр. мед. акад. - СПб.: Юрид. центр Пресс, 2002. - 81 с.: ил., табл.; 21 с.; ISBN 5-94201-054-4

3. Кравчук А.Д., Потапов А.А., Панченко В.Я., и др. Аддитивные технологии в нейрохирургии. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2018;82(6):97‑104.

4. Суворов В.В., Зайцев В.В., Купатадзе Д.Д., Кривощеков Е.В., Лобода О.С., Лежнев А.А. Применение технологии трехмерной печати при планировании тактики хирургического лечения сложных врожденных пороков сердца. Кардиология и сердечно-сосудистая хирургия. 2020;13(4):294‑298.

5. Кравчук А.Д., Маряхин А.Д., Охлопков В.А., и др. Аддитивные технологии в реконструктивной хирургии дефектов черепа / 3D-технологии в медицине: материалы IV Всероссийской научно-практической конференции. Нижний Новгород, 2019. С. 24–25.

6. Бурцев А.В., Павлова О.М., Рябых С.О., Губин  А.В. Компьютерное 3D-моделирование с изготовлением индивидуальных лекал для навигирования введения винтов в шейном отделе позвоночника  // Хирургия позвоночника. 2018. Т.  15, № 2. С. 33–38.

7. Егиазарян, К. А. Травматология и ортопедия : учебник / под ред. К. А. Егиазаряна, И. В. Сиротина - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2019. - 576 с. - ISBN 978-5-9704-4804-5.

Код для цитирования: Скопировать