Как 3D-печать помогает в медицине и фармацевтике: применение, перспективы

Передовые технологии, внедренные в медицину, повышают успешность самых сложных оперативных вмешательств, улучшают качество жизни пациента, дают возможность врачам принимать более точные решения в плане лечения серьезных патологий и заболеваний.

3D-печать разработанная в конце 80-хх годов прошлого столетия в Массачусетском технологическом институте. И уже через какой-то десяток лет она была применена при трансплантации. В 1999 году сотрудники американского института регенеративной медицины впервые пересадили пациенту орган, созданный с помощью 3D-печати и компьютерной томографии. ^[1]

Сегодня подобная методика занимает значимое место практически во всех областях медицины, включая стоматологию, фармацевтики. Список направлений и возможностей достаточно широк, а сами врачи и ученые в области медицины видят в такой технологии высокий потенциал.

Применение 3D-печати в медицине

Печать на 3D-принтере внесла огромный вклад в развитие медицины. Важный момент, который обеспечила технология, – индивидуальность подхода к лечению пациентов. Методика позволяет создать анатомическую модель органа или конечности пациента на этапе предоперационного планирования, визуализировать выполнение хирургического вмешательства, и самое главное – подобрать точный размер инструментов и настроить оборудование под каждого больного.

Как результат: исход оперативного вмешательства предсказуемый и в большинстве случаев эффективнее. И такое использование 3D-печати лишь одно из направлений в медицине. Технология актуальна также для:

• создания органов и тканей, позволяющих расширить возможности трансплантологии;
• печати модели больной кости, что способно помочь при постановке диагноза;
• производства биосовместимых протезов и индивидуальных имплантов, которые смогут вернуть к нормальной жизни при потере конечностей или других важных органов;
• печати кровеносных сосудов, способных транспортировать питательные вещества к тканям, а также позволяющих более точно проводить исследования на 3D-моделях;
• изготовления индивидуальных имплантов, дающих возможность улучшить слух и зрение, если они были утрачены в результате болезни, травмы или при врожденной глухоте и слепоте;
• производства ортезов и ортопедических корсетов. Преимуществом 3D-печати в этом случае будет учет индивидуальных особенностей человека.

А еще такая современная технология позволяет создавать уникальные хирургические инструменты, проектировать и воплощать в жизнь вспомогательные аппараты. ^[2]

3D-печать протезов нижних и верхних конечностей

Изготовление активного протеза конечности – сложный и дорогостоящий процесс. Серийность могла бы несколько снизить стоимость производства, но в таком случае сложно достичь индивидуальности для каждого пациента. Внедрение 3D-печати позволило выполнять мелкосерийное производство и поддерживать доступную цену. И самое главное – каждая деталь получается максимально точной, а сам принтер может работать с большим разнообразием материалов.

Не менее важно то, что изготовление протеза подобным способом происходит быстро, и даже уже придуманы варианты, когда пациент может самостоятельно распечатать их. К примеру, преподаватель Технологического института Сепулу Нопембер в Индонезии разработал протез ноги, проект которого можно скачать бесплатно в специальном формате для 3D-принтера. Используя доступные материалы (нейлон, ABS, TPU, PLA), можно своими силами его распечатать. У такого проекта есть четыре видоизменения и шесть реализаций, учитывающих индивидуальные особенности пациента. ^[3]

Безусловно, печать протезов не является лучшим решением, поскольку они все же не столь надежны и функциональны, как бионические, выполненные в заводских условия из дорогостоящих материалов. Но изготовление их на принтере дает шанс выйти из сложной ситуации тем, кто потерял конечность, но на данный момент не имеет финансовых возможностей приобрести бионический протез.

Печать на 3D-принтере имплантов, органов и тканей

Чтобы понять, как принтеру удается печатать органы, ткани и имплантаты, стоит разобраться в принципе его работы. В отличие от его офисного варианта, такое оборудование работает в трех измерениях: ширине, высоте, глубине. В процессе печати головки принтера движутся влево, вправо, вниз, вверх, вперед и назад, распределяя материалы слой за слоем до образования объемного объекта. Если речь идет от тканях, органах и имплантатах, в качестве основы для их создания используется биоматериал, преимущественно состоящий из живых клеток. А для получения их достаточного количества берутся стволовые клетки, свиной коллагеновый белок, морские водоросли или, если есть возможность, клетки самого пациента. Перед 3D-печатью они культивируются до нужного количества. Учитывая, что материал близок по структуре к тканям человеческого организма, а нередко и является его частью, органы, кости, хрящи, импланты хорошо приживаются, и через определенный период времени их невозможно отличить от собственных клеток. ^[4]

Современная технология 3D-печати перспективная для создания:

• новой кожи при ожогах – уже даже есть экспериментальные разработки, касающиеся возможности печатать прямо на поверхности человеческого тела. Но пока ученые и медики ищут выход, как предупредить нагревание кожных покровов от самого оборудования. Преимуществом такого варианта трансплантации обожженной кожи является то, что она живая, поэтому после пересадки начинает вырабатываться коллаген для более быстрого восстановления; ^[5]
• кровеносных сосудов, с помощью которых можно заменить пострадавшие от патологий участки сосудистой системы. Их эластичность регулируется добавлением кислорода в один из слоев. Такая инновационная технологии имеет хорошие перспективы, поскольку открывает безграничные возможности лечения пациентов с гипертонией и патологиями сердечно-сосудистой системы; ^[6]
• внутренних органов, что позволит существенно уменьшить очередь пациентов в ожидании трансплантации. Кстати, мочевой пузырь уже успешно печатают, и это позволяет пациентам отказаться от необходимости пожизненного диализа ^[7]. Успешными были и несколько трансплантаций напечатанных почек.

В ближайшем будущем с помощью 3D-принтера ученые и медики планируют также дать надежду людям с больным сердцем и печенью.

Создание хирургического инструмента и уникальных аппаратов

Технология 3D-печати позволяет не только создать новые органы или протезы, но и стоит на страже пациентов с критическим состоянием здоровья. Один из последних примеров – пандемия коронавируса, которая начала распространятся миром в начале 2020 года. Так, итальянские больницы в связи с массовым поступлением больных столкнулись с нехваткой комплектующих в аппаратах искусственной вентиляции легких. Чтобы спасти жизнь пациентов, нужно было много клапанов Вентури, изготовить которые срочно оказалось не так просто. Но выход нашелся, как раз благодаря 3D-печати. В больницу города Брешии немедленно доставили принтер, который и настроили под печать этой детали. Таким образом шанс на выздоровление получило намного больше инфицированных больных. ^[8]

И это только один из примеров, как современные технологии помогают медицине. С помощью 3D-печати также успешно изготовляются средства индивидуальной защиты: медицинские маски, респираторы, ортезы, заменяющие гипсовые повязки, мобильные детекторы инфекции, хирургический инструментарий.

3D-печать в фармацевтики

Печать на 3D-принтере не прошла мимо и фармацевтики, ведь у такой технологии в этой области хорошие перспективы. Ее применение позволит применить принцип персонифицированного подбора лекарственных средств под каждого пациента. С помощью 3D-печати реализуется возможность менять профиль высвобождения действующего компонента, чтобы эффективность лечения была высокой в каждом индивидуальном случае. Особенно это актуально в производстве лекарственных препаратов, растворяющихся в ротовой полости.

Используя 3D-печать при изготовлении лекарств, фармкомпании могут оценить сразу несколько преимуществ:

• снижение себестоимости препарата в результате ухода от сложных и дорогостоящих цепочек производства;
• возможность создания уникальных лекарственных средств без необходимости запуска высокого объема изготовления;
• производство медикаментов по индивидуальной рецептуре, следуя аптечным традициям, но без необходимости изготовления лекарств вручную. ^[9]

Первым средством, изготовленным 3D-печатью и успешно использованным для лечения пациентов с эпилепсией, стал Spritam от американской фармацевтической компанией Aprecia Pharmaceuticals ^[10]. Благодаря его быстрому растворению в ротовой полости и приятному вкусу, больные с такой проблемой могли контролировать свое состояние и быстро предупредить эпилептический припадок.

Стоматология и 3D-печать

Печать на 3D-принтере на сегодняшний день наиболее успешно внедрена именно в стоматологию. Интересный факт, что в начале 90-хх годов прошлого столетия подобная технология активно применялась для изготовления кап для зубов. И именно это послужило стартом для более активного развития методики в этой отрасли. Правда, для печати первого зубного имплантата пришлось подождать 20 лет. В 2012 году компания Layer Wise изготовила его. В этом же году пациенту впервые вживили титановую нижнюю челюсть, напечатанную на принтере.

Сегодня технология заметно повысила планку качества и стала незаменимым помощником стоматологов. С помощью 3D-печати создаются коронки, виниры, зубные мосты, что ускоряет работу зуботехнической лаборатории. Сочетание принтера с широким диапазоном материалов, а также возможность предварительного моделирования заметно улучшает результат ортопедического лечения пациентов. А самое главное – отсутствие необходимости создавать коронки или мосты вручную также способно снизить стоимость и сделать услугу более доступной для пациентов. ^[11]

Перспективы 3D-печати в медицине и фармацевтике

Любая сфера деятельности не может стоять на месте и обязательно должна прогрессировать. Использование 3D-печати открывает новые возможности в разных областях и дает надежду многим пациентам, которые имеют серьезные заболевания внутренних органов, потеряли конечности или проходят стоматологическое лечение. Но вопрос, станет ли технология единственной альтернативой, весьма спорный. А все потому, что такая методика требует серьезных инвестиций в клинические исследования, обучение медицинских работников, а также изменения законодательной базы. И для выполнения этих задач также нужно время, которое и сможет определить окончательные перспективы 3D-печати в медицине.

Источники