Технологии 3D-печати в медицине


Павел Вопиловский о печати медицинских протезов на 3D-принтере и первых хирургических операциях с использованием аддитивных технологий

Наиболее перспективным использованием аддитивных технологий на сегодняшний день, мне кажется, это использование их в медицине. Предпосылок для этого существует множество. Не надо забывать, что аддитивное производство на сегодняшний день достаточно дорогостоящее. Но и здоровье человека, и жизнь человека стоит тоже немалых денег, и на это стоит потратиться. Это, наверное, первая причина главная. А вторая причина, что нет двух одинаковых человек, даже два одинаковых отпечатка получить невозможно. Поэтому, учитывая, что здесь можно сделать для каждого индивидуального пациента индивидуальный протез — это наиболее значимый фактор в использовании именно этой технологии для медицины. Но на сегодняшний день, к сожалению, активного какого-то движения нет, оно только начинается. И работы в этой части мы уже проводили. Наш университет, это вместе с институтом Фредена, институтом травматологии и ортопедии, вместе с институтом ЛЭТИ провели совместную работу, первую, наверное, в стране, которая получила возможность создать имплантат из титана, напечатать его. И заслуга в этом достаточно большая врачей. То есть главную часть нагрузки понесли именно специалисты из Фредена, они консультировали нас в этой части, они эту операцию провели в октябре 2015 года. Первая итерация прошла успешно. Там у женщины была серьезная травма, разрушен тазобедренный сустав, практически от него остались только там части.

И вот после этой работы мы получили возможность собрать этот сустав в одно целое, сделать операцию, женщина стала ходить, это немало важно. Сейчас она еще проходит реабилитацию. Прошло время, но результат достаточно положительный. Большую лепту внесли специалисты из ЛЭТИ. То есть моделирование, обработку компьютерных томограмм и все, что связано с расчетами прочности, это проводили они. Ну, а наш институт занимался непосредственно изготовлением, проработкой технологической части. Много вопросов решили по корректировке самой модели. Дело в том, что, как вся идеология мыслится — врачи дают нам компьютерную томограмму, это снимок, полученный с томографа той части, которую надо оперировать. Мы по этому снимку получили макет кости. Здесь большая проблема заключается в том, что сама кость, сухожилия остатки (если это, ну как правило, вторичная операция, ревизионная) какие-то от предыдущих имплантатов. Они, вот костный гипс, так называемый, который они используют, они очень близкие по плотности. И на томограмме их отличить тяжело. То есть, если металлические детали я вычленяю, то хрящевую ткань, заменитель кости и саму кость — они очень близко, и их надо разделять. Ну в этой части была проделана большая работа, научились получать достаточно хороший результат. То есть вот вы видите, к сожалению, разрушенную кость человека, в виде макета, напечатанную на принтере из полиамида. По тому, что осталось из кости, врачи, совместно с технологами проектируют так называемый имплантат, то, что будет вставляться в виде металла потом. То есть мы получаем его в виде пластика, это первое.

Дальше проводятся корректировки по позиционированию на кость. Он должен лечь как пазл туда. Дальше врачи делают эту операцию на столе, то есть проводят ее вручную, как на макете. То есть исключаются все факторы, которые могли бы возникнуть во время операции негативные. После того, как операция проведена на столе, мы получаем добро, что можно печатать его. Печатаем его из металла. Для этого, кстати, была проделана большая работа, у нас в стране появился один из разработчиков порошка для принтеров, печатающих металлом, который для нашего института такой порошок предоставил. Не хочу, чтобы это звучало, как реклама, но действительно это очень здорово, когда у нас появляются российские производители достаточно дорогого оборудования и дорогих материалов, которые можно использовать в современных технологиях. Это компания Нормин, они нам предоставили порошок и первые образцы напечатали бесплатно, в качестве помощи. И самое интересное, что представители компании приезжали к нам, интересовались этим порошком, потому что по качеству он превосходит зарубежные. То есть это очень большой сдвиг.

Но я хотел бы вернуться к проблематике протезирования. И я рассматриваю только частичный случай — это протезирование тазобедренного сустава. На самом деле, тут поле деятельности достаточно широкое — это коленные суставы, это позвоночники, это лицевая, челюстно-лицевая хирургия. Там очень много проблем у людей бывает после операций, которые проводили либо после сильных травм, либо после рака, когда удаляется часть кости и нужна замена. То есть для человека это очень существенное облегчение. Потребность в операциях такого рода — порядка 500 000 по стране. Это только первичные операции. С каждым годом приходится делать операций все больше и больше, потому что нарастают, как снежный ком вторичные операции. И если в первом случае я поставил маленькую чашечку, потом она становится больше и больше, и потом я уже не могу ставить, потому что некуда. И вот в этом случае использование аддитивных технологий позволит, во-первых, уменьшить время операции. Во-вторых, такой имплантат ложится, как пазл, он встает ровно и здесь нет никаких обтачиваний, подборок по месту этих чашек, и если вернуться к началу, то не стоит забывать, что это индивидуально каждому, и нет одинаковых людей. И даже вот взять тазобедренный сустав, справа и слева, это будут разные кости.

Здесь наиболее оптимальный вариант использования такой технологии, когда мы под каждого конкретного человека делаем конкретное изделие. В данном случае — протез. Мы получили имплантат, который соответствует форме кости человека, но на этом работу можно было не считать бы законченной, потому что есть еще много направлений, которые позволяют двигаться дальше. Вот, если вы внимательно посмотрите на имплантат сзади. Ну пока, сами понимаете, это пластиковый его вариант, он не совсем ровный. Это специальное покрытие. Причем, покрытие не просто шершавое. Здесь, например — двуслойный ряд сетки, специальная структура, для того, чтобы обеспечить максимальное соединение имплантата и кости человека. Если вы посмотрите — вот чашка, которую, ну первичная операция уже прошла, и под вторичную ее извлекали из кости человека. Видите, вот врастание кости обеспечивается достаточно глубоко. То есть, такая вот сетка, она позволяет сделать этот процесс более глубоким. То есть мы не просто создали чашку, которую вставили стандартно, а она еще и обеспечивает достаточно хорошее, прочное соединение с костью. Если эту тематику развивать дальше, то можно попробовать получать покрытия со специальными функциями. То есть в части работ, которые мы ведем дополнительно, у нас есть еще совместная лаборатория со Швейцарией, по линии RASA (это ассоциация русско-говорящих ученых за рубежом) и вот МашТех, вместе со швейцарской компанией создана такая лаборатория совместная, называется «Функциональные покрытия».

Она сейчас занимается чем, во-первых, создает разного рода напыления и покрытия, в том числе и для медицины. И речь здесь может пойти об использовании покрытий нового типа, но пока это в стадии осмысления или проработок, но в перспективе это может быть, так называемое, умное покрытие. Есть материал такой, полипиррол, который тонкой пленкой наносится на имплантаты или там любые, то, что используется в медицине, какие-то там приборы, которые интегрируются в человека. В чем его суть, создается вот такая пориста структура, на которую наносится пленка, в этой пленке находится, ну допустим, антибиотик или какие-то вещества, ускорители роста. И самое интересное, что это можно вводить дозировано в тело человека. Внешне это выглядит, как физиотерапия, которая используется. Подается поле, имплантат уже стоит внутри. Подается силовое поле, и оно позволяет дозированно вводить лекарства в организм. Ну где-то порядка 30–40 раз можно с одной пленки такой получить. То есть это что дает — вводим антисептики, что позволяет как бы сохранить протез, если пошло что-то не так. А мы добавляем какие-то вещества, которые могут ускорить рост. Применений может быть самое большое количество, это врачам будет виднее.

Наша задача — это научиться такие покрытия наносить на поверхность. То есть это достаточно новое такое применение, и хотелось бы в этой части еще поработать. Ну пока, к сожалению, это только в планах на будущее. А на сегодня да, на сегодня первая операция проведена, благодаря врачам из Фредена. Очень многое они сделают. Дело в том, что к сожалению, мы не можем получить консультации от зарубежных коллег каких-то. И как это делается. Это стараются пока не афишировать сильно. Врачи между собой как-то общаются. По части технологии здесь, к сожалению, не все так просто. То есть это все-таки коммерция. Потому что операция по установке тазобедренного сустава такого в Европе стоит порядка от 15 до 20 тысяч евро в зависимости от сложности. Мы должны выйти на более низкие цены, на отечественные материалы, и соответственно внести что-то новое, что нас отличает от коллег за рубежом. Но в этом направлении мы работаем. В идеале было бы просто получить компьютерную томограмму пациента, произвести ряд расчетов, которыми, допустим, занимался у нас раньше ЛЭТИ. Может быть, это вырастет в какие-то компьютерные программы, которые позволят создать этот протез в полости, минуя врача, и он только будет его согласовывать. Провести расчеты по нагрузкам.

А сегодня пока нужно решить просто проблему с внедрением такой технологии в медицинских учреждениях. Может быть, не везде можно поставить 3D-принтер, тем более те принтеры, которые печатают металлом. Но врачи могут послать с какого-то далекого места в стране такую компьютерную томограмму в какой-то центр единый, где бы ее обработали, получили трехмерную модель, получили консультацию по созданию такого имплантата, вырастили его, отправили туда, в эту больницу или клинику и там его установили. То есть я думаю, за этим недалекое будущее.

vopilovski.jpg

Директор НТК «Машиностроительные технологии», СПбПУ Петра Великого

Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru