Медицина

3D-печать в медицине и фармацевтике: возможности применения

Постоянные читатели нашего портала знают, что аддитивные технологии стали активно применяться в медицинской деятельности. С их помощью изготавливают инструменты и имплантаты, проводят тренировочные операции, производят лекарства и многое другое.

4 апреля 2017 года специалисты крупнейших российских медицинских центров и товаропроизводители обсудят стоящие перед ними задачи во время круглого стола «Полимеры в российской медицине и фармацевтике». Круглый стол пройдет в бизнес-клубе «Пальмира» в рамках VIII Российского конгресса переработчиков пластмасс. Наиболее важная тема заседания – индустрия имплантатов и 3D-печати, которая меняет качество жизни современного человека.

Накануне этого события организаторы мероприятия подготовили обзор самых примечательных фактов использования 3D-печати в медицинской и фармацевтической деятельности, которые мы с удовольствием публикуем.

Хирургические инструменты

В 2006 г. студенты биоинженерного факультета из Университета Британской Колумбии получили награду за 3D-печать эффективного хирургического эвакуатора дыма. Ранее в трехмерном формате были напечатаны и получили практическое применение щипцы, гемостаты, рукоятки и зажимы скальпеля.

Инструменты выпускаются теперь новым способом серийно, выходят из принтера стерильными и стоят одну десятую часть прототипов предыдущего поколения, выполненных из нержавеющей стали.

Также подобные инструмент применяются, например, в Испании.

Имплантаты костей

Нетрудно представить, что технология 3D-сканирования и печати быстро завоевала сектор краниальных и других имплантатов, изготавливаемых из любых неорганических материалов – сплавов, керамики, пеностекла.

Технология позволяет в режиме реального времени создать контуры отверстия или костного дефекта до операции или же в ходе операции, сразу после удаления поврежденных участков. Затем быстро напечатать имплантат и разместить его точно по контуру отверстия.

В 2013 г. в США была сделана операция, в ходе которой 75% черепа пациента были заменены после двухнедельной работы с отсканированной моделью. Результат повторяет мельчайшие подробности формы.

По данным Oxford Performance Materials, от 300 до 500 человек в США ежемесячно могут стать пациентами, которым требуются подобные операции. К ним относятся жертвы дорожно-транспортных происшествий, военнослужащие и онкологические пациенты с опухолью в черепе.

По данным российского НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, ежегодно в России более 2 тысяч черепно-мозговых травм требуют применения трансплантации, и до 20% этих операций в дальнейшем требуют повторного вмешательства хирургов из-за плохой приживаемости или неправильного расположения имплантата в ткани.

В 2014 г. состоялись первые операции в Китае, в ходе которых пациентам имплантировали напечатанные на 3D-принтере ключицу, лопатку и правую подвздошную кость таза. Показания к операции – раковые опухоли. В том же 2014 г. в США появился первый человек, которому имплантировали коленный сустав, напечатанный по разработке компании Conformis на 3D-принтере. В отличие от серийных стальных и пластиковых протезов колена, этот образец не придется менять через 10 лет эксплуатации.

Одновременно в Британии провели операцию по замене тазобедренного сустава напечатанным 71-летней пациентке.

В 2016 г. учеными Пекинского университета была проведена операция на позвоночнике у 12-летнего мальчика. Позвонок, полученный с помощью 3D-печати, позволил эффективно заменить поврежденный позвонок, точно повторил контуры прилежащих позвонков, кроме того, он превосходит титановые аналоги в прочности и долговечности.

Новый метод позволяет ускорить сроки реабилитации и значительно снижает болевой синдром после операции. Как и обычный позвонок, 3D-аналог является полым в центре, чтобы нервы могли проходить в ствол мозга и соединяться с периферическими окончаниями.

Ушная раковина

Сначала эксперименты в этом направлении вылились в создание бионического уха, которое пока существует отдельно от человека. Устройство, выполненное с участием живых клеток кожи человека, содержит индуктивную радиоантенну.

Концепт создан для апробации использования наноэлектроники в 3D-печати. В 2016 г. Технологическим университетом Квинсленда (Австралия) была разработана технология печати анатомически верных ушей из собственных клеток хрящевой ткани пациента. После нескольких недель выращивания такое ухо хирургическим путем было пересажено 2-летней пациентке.

По планам разработчиков, такое лечение будет обходиться в ближайшем будущем в 200 долларов на каждого ребенка.

В прошлом году подобный эксперимент повторили китайские медики.

Стоматология

Технология 3D-печати в стоматологии используется с 1999 года. Пионер этой области – компания Align Technology, начавшая производство и продажу кап для зубов как альтернативы брекетам.

Что касается протезирования зубов, то 3D удешевило процесс в несколько раз и сделало эту манипуляцию доступной для широких масс населения. 3D-принтеры избавляют стоматологов от сложного и трудоемкого ручного моделирования.

Клиентам больше не нужно проходить сложный процесс от первого визита до установки окончательной конструкции, проходя через череду примерок и доработок. Зубные техники полагались раньше на твердость руки и хорошее зрение, их работа трудоемкая и занимает много времени. Теперь достаточно сделать сканирование ротовой полости – и вскоре получить прекрасный результат.

Уникальную форму каждого зуба невероятно сложно передать с помощью ручного изготовления или фрезерного станка.

Стоматологические 3D-принтеры делают ненужными сложные и устаревшие методы производства. Благодаря новейшим технологиям и самым современным материалам вы получаете готовую продукцию в несколько раз быстрее, чем раньше. Но главное – стоматологические модели, напечатанные на 3D-принтере, в точности повторяют нюансы исходного образца.

Трехмерная печать обеспечивает стабильную точность и выводит стоматологический бизнес на индустриальные мощности. Теперь вы можете использовать снимки и сканирование ротовой полости для быстрого моделирования CAD/CAM и 3D-печати редких ортодонтических инструментов, гипсовых моделей, моделей коронок и мостовидовых протезов.

В 2012 г. состоялась первая операция по вживлению имплантата нижней челюсти, напечатанного на 3D-принтере. Материал – титан. Исполнитель – компания LayerWise. В 2014 г. еще два пациента стали обладателями новой челюсти. Один из них лишился ее из-за опухоли, а второй сломал челюсть.

Российские ученые не отстают от мировых коллег и также научились печатать имплантаты для стоматологии на 3D-принтере.

Суставы из заполняемого полимера

Исследователи Северно-Западного университета разработали полимерную композицию, которую используют для печати гибкой пористой структуры с внешним контуром заменяемого костного дефекта. Созданные на 3D-принтере пластиковые имплантаты не отторгаются, постепенно заполняются клетками и окостеневают. При этом пластиковая составляющая со временем растворяется.

Новый расходный материал для 3D-печатных костей содержит два компонента:
• гидроксиапатит – минерал, который присутствует в обычной костной ткани, обеспечивая её прочность и жёсткость;
• поликапролактон – полимер, который не вызывает ответной реакции иммунной системы и широко используется для медицинских целей.

В результате имплантат лишь на 10% объема состоит из растворяемого полимера (остальной объем – полости). Искусственная кость не просто является эластичной и может быть введена через небольшой разрез – её можно растягивать практически в два раза без разрушительного эффекта.

Внутренние органы

Ежегодно в мире выполняется 100 тысяч трансплантаций органов и более 200 тысяч – тканей и клеток человека. Из них до 26 тысяч приходится на трансплантации почек, 8-10 тысяч – печени, 2,7-4,5 тысячи – сердца, 1,5 тысячи – легких, 1 тысяча – поджелудочной железы.

Лидером среди государств мира по количеству проводимых трансплантаций являются США: ежегодно американские врачи выполняют 10 тысяч пересадок почек, 4 тысячи – печени, 2 тысячи – сердца.

В России ежегодно производится 4-5 трансплантаций сердца, 5-10 трансплантаций печени, 500-800 трансплантаций почек. Этот показатель в сотни раз ниже потребности в данных операциях.

Согласно исследованию американских экспертов, расчетная потребность количества трансплантаций органов на 1 млн населения в год составляет: почка – 74,5; сердце – 67,4; печень – 59,1; поджелудочная железа – 13,7; легкое – 13,7; комплекс сердце–легкое – 18,5.

В начале 2017 г. специалисты из американской компании Organovo объявили, что через шесть лет начнут пересаживать пациентам ткани, полученные методом 3D-печати из живых человеческих клеток. Для трансплантации будут создаваться как части повреждённых тканей, так и органы целиком.

В данный момент искусственные ткани, выращенные специалистами компании в лабораторных условиях, используются фармацевтами для тестирования новых лекарственных препаратов. 3D-печатные ткани функционируют так же, как и обычные, и позволяют наблюдать реакцию, характерную для человеческого организма, в отличие от приближенной реакции подопытных животных.

Теперь компания сосредоточила силы на создании жизнеспособных органов, пригодных для трансплантации.

Первыми в сотрудничестве с Королевской детской больницей в Мельбурне будут созданы функциональные почки и печень. Метод создания структуры человеческой почки из стволовых клеток уже разработан. В перспективе искусственная почка будет пригодна для трансплантации. Только в США в списке на трансплантацию почек – 120 тысяч пациентов. Основной проблемой технологии в ее нынешнем виде является длительность печати одного органа, измеряемая несколькими месяцами, и кровоснабжение. Каждая клетка в тканях находится рядом с капиллярами, которые печатать пока не научились.

Чуть дальше в данном направлении продвинулись российские ученые. В 2016 году компании 3D Bioprinting Solutions удалось впервые в мире создать с помощью 3D-печати орган – щитовидную железу, которую в дальнейшем успешно пересадили подопытной мыши.

Сердце и кровеносные сосуды

Исследователи из Университета Ростока в Германии, Гарвардский медицинский институт и Сиднейский университет разрабатывают биологические клетки, трехмерный струйный принтер и лазер для восстановления сердца, в частности, наложением полученной 3D-методом органической заплаты. Теми же специалистами создаются искусственные (полученные инструментально из живых клеток или с использованием полимерной сетки) кровеносные сосуды.

Несколько дней назад об изысканиях в данном направлении объявили в США.

Кожа

Группа испанских учёных из Университета Карлоса III (Мадрид), Центра по исследованиям в сфере энергетики, окружающей среды и технологий (CIEMAT), а также мадридского Университетского госпиталя Грегорио Мараньона представила 3D–биопринтер, который способен послойно воспроизводить человеческую кожу, идентичную натуральной. Последнее было доказано гистологическими и иммуногистохимическими исследованиями.

3D–биопринтер использует инжекторы с биологическими компонентами человека и биочернила, запатентованные CIEMAT и лицензированные компанией BioDan Group, которая планирует выводить на рынок данную технологию. Кожа человека печатается слоями, а весь процесс контролируется компьютером. Для печати используются биочернила, содержащие плазму, первичные фибробласты и кератиноциты (клетки эпителиальной ткани) человека.

Поскольку для печати применяются живые клетки, то напечатанная кожа является биологически активной и сама начинает вырабатывать коллаген. В практике ожоговых центров выращивание из собственных клеток пациента кожи in vitro занимает около 2 недель. Новая технология печати на 3D-принтере позволяет решить ту же задачу за 2 дня. В планах научного коллектива – печать трахеи, сердечных клапанов и кровеносных сосудов.

Помощь во время операций

Имея перед глазами объемную 3D-модель, хирургам будет гораздо проще ориентироваться внутри живого человека во время операции. Например, когда операция проходит у двенадцатилетней девочки, чья раковая опухоль признана неоперабельной, так как находилась слишком близко к позвоночнику, а также была окружена здоровыми тканями, органами, венами и артериями.

Опаснейшая операция прошла успешно, поскольку врачи использовали распечатанную 3D-модель и тщательно спланировали все манипуляции.

Кардиологи всего мира собирают сейчас библиотеку 3D-макетов сердец. Распечатанное сердце помогает врачам планировать операцию, ведь одно дело – видеть результаты сканирования, а другое – держать орган в руках в натуральную величину.

Совсем недавно подобная технология была опробована кардиохирургами в Белоруссии.

Печать пористых таблеток

В 2016 г. сотрудники американской фармкомпании «Aprecia Pharmaceuticals» получили разрешение FDA (Food and Drug Administration – управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) использовать технологию 3D-печати для создания лекарственных средств. Спритам (леветирацетам) стал первым препаратом, созданным при помощи 3D-принтера.

Медикамент применяется взрослыми и детьми для предупреждения развития эпилептических припадков. В России леветирацетам входит в список жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов, утвержденный Правительством Российской Федерации.

Новая технология по созданию спритама, носящая название ZipDose, была создана специалистами Массачусетского технологического института. В результате ее применения таблетки состоят не из «спрессованных» лекарственных слоев, а обладают пористой структурой. Этот вид производства позволяет добиться более быстрого растворения и лучшего всасывания лекарственного препарата. Данная методика упрощает прием медикамента для пациентов, имеющих сложности с глотанием таблеток.

Дон Везерхолд, генеральный директор Aprecia Pharmaceuticals, заявил, что технология может использоваться для пациентов, страдающих шизофренией, болезнью Паркинсона и множеством других расстройств.

В Дубае уже всерьез заинтересовались перспективной разработкой.

Борьба с раком

Разработку лекарств против рака осложняет колоссальное количество разновидностей раковых клеток, относящихся как к разным тканям, так и принадлежащих разным особям, а также находящиеся на различных стадиях индивидуальной эволюции.

Удешевить исследование лекарств для конкретных применений позволит 3D-печать тканей из раковых клеток различных тканей и разных пациентов, что позволит в несколько раз сократить сроки исследований, клинических испытаний, их стоимость и, возможно, начать выпуск индивидуальных составов для конкретных пациентов, определить наиболее эффективный препарат не последовательным применением на живом человеке, а in vitro.

Еще больше интересных новостей о 3D-печати в медицинской деятельности вы сможете узнать в специальном разделе нашего портала.

Комментариев пока нет

добавить сообщение

?

Хотите
быть в курсе

события 3D-печати

У ВАШЕЙ КОМПАНИИ ЕСТЬ ЗАДАЧИ В СФЕРЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ? МЫ ГОТОВЫ ПОМОЧЬ В ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Агентство 3Dpulse.ru и консалтинговая группа «Текарт» предлагают сотрудничество в самых разных областях: от поиска потенциальных партнеров до рекомендаций по стратегическому планированию.
Отправьте заявку и получите консультацию на электронную почту.

У ВАШЕЙ КОМПАНИИ ЕСТЬ ЗАДАЧИ В СФЕРЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ?
МЫ ГОТОВЫ ПОМОЧЬ В ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Агентство 3Dpulse.ru и консалтинговая группа «Текарт» предлагают сотрудничество в самых разных областях: от поиска потенциальных партнеров до рекомендаций по стратегическому планированию.

Отправьте заявку и получите консультацию на электронную почту.