3D-печать в медицине: применение 3D-принтеров для создание искусственных органов и донорских тканей
Современная медицина развивается стремительными темпами благодаря внедрению новейших технологий. Одной из таких технологий является 3D-печать, которая открывает новые горизонты в лечении пациентов и позволяет создавать сложные медицинские изделия.
В этой статье мы рассмотрим, как 3D-печать успешно используется в медицине для изготовления искусственных органов и донорских тканей.
Что такое 3D-печать в медицине?
3D-печать в медицине — это инновационный процесс создания трёхмерных объектов для использования в медицинских целях с помощью аддитивных технологий, таких как стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование методом наплавления (FDM).
Как 3D-печать используется в медицине?
Технологии 3D печати позволяют создавать изделия с высокой точностью и детализацией, что открывает широкие возможности для их применения в различных медицинских областях.
Вот несколько основных направлений использования 3D-печати в медицине:
Протезирование
Создание индивидуальных протезов для конечностей, зубов и других частей тела. Индивидуальные протезы могут значительно улучшить качество жизни пациентов, обеспечивая лучшее соответствие анатомическим особенностям.
Применение FDM-принтеров становится незаменимым способом для упрощения и снижения стоимости создания уникальных протезов. Специальная программа по печати протезов рук была разработана для жителей Сьерра-Леоне, пострадавших в результате гражданской войны. Канадский дизайнер Альберт Фунг создал CAD-модель протеза, которая используется как основа врачами в Африке. Специалисты в Сьерра-Леоне персонализируют трехмерную модель для каждого пациента и печатают устройство на Raise3D Pro2. Производство такого протеза обходится в $50, в то время как протезы, изготовленные по другим методам, могут стоить несколько тысяч долларов США.
Импланты
Производство индивидуальных медицинских имплантатов, таких как костные пластины или суставные протезы. 3D-печать позволяет создавать имплантаты, которые идеально подходят по форме и размеру к конкретному пациенту.
Производство костных имплантатов из титана является процессом создания искусственного продукта. Именно в таких ситуациях становятся очевидны преимущества 3D-принтеров, функционирующих по технологии селективного лазерного плавления. Эксперты могут с высокой точностью напечатать имплант нужной формы всего за несколько часов.
Хирургические модели
Создание анатомически точных моделей органов и частей тела на основе данных медицинских сканеров (КТ, МРТ) для здравоохранения. Эти модели помогают хирургам планировать сложные операции и проводить предоперационные тренировки.
Медицинские инструменты
Производство кастомизированных медицинских инструментов и устройств, таких как специальные держатели, направляющие для сверл и других хирургических инструментов, которые могут быть изготовлены под конкретные хирургические задачи.
Биполярный лапароскопический хирургический инструмент Volt от компании Bite
Вольт — биполярный лапароскопический зажим, созданный с использованием 3D-печати, — это компактное устройство, предназначенное для зажатия и коагуляции (прижигания) сосудов и тканей, например, для остановки кровотечений во время операции. Его разработали для применения в минимально инвазивной (щадящей) хирургии в 2016 году и успешно протестировали на свиной печени.
Источник: bitegroup.nl
Конструкция устройства позволяет легко настраивать геометрию стержня и наконечника в соответствии с анатомией пациента и требованиями операции. Маневренный хвостовик — ± 65 ° для боковых движений и ± 85 ° вверх и вниз. Жесткость на изгиб составляет 4,0 Н/мм для первого соединения и 4,4 Н/мм для второго, что значительно превосходит ранее доступные управляемые инструменты. Наконечник включает две подвижные титановые губки, напечатанные на 3D-принтере, с углом раскрытия до 170 °. Инструмент подключается к электрохирургическому аппарату Erbe и способен успешно коагулировать ткани при температуре 75 °C, достигаемой за 5 секунд.
Учебные пособия
Трёхмерные печатные модели человеческого тела и его частей используются для образовательных целей, позволяя студентам-медикам и медицинским профессионалам улучшить свои навыки и знания.
Создание органов и тканей с помощью 3D биопечати
3D биопечать — это передовая технология, сочетающая принципы традиционной 3D-печати и биологических наук для создания живых тканей и органов. Этот инновационный подход имеет огромный потенциал для медицины и биологии, поскольку позволяет создавать структуры, которые могут быть использованы для трансплантации, исследований и тестирования лекарств.
Как создаются искусственные органы с помощью 3D-принтеров?
Какие материалы используются для печати органов?
Для печати искусственных органов используются различные материалы, включая биополимеры, гидрогели и даже живые клетки. Биополимеры и гидрогели служат основой, на которую наносятся слои клеток, создавая сложные клеточные структуры. Стволовые клетки часто используются в качестве исходного материала для печати тканей и органов, поскольку они могут дифференцироваться в различные типы клеток.
Биополимеры:
— Поли (этиленгликоль) (PEG): Широко используется благодаря своей биосовместимости и возможностям модификации.
— Поликапролактон (PCL): Биодеградируемый полимер, часто используемый для создания каркасов.Гидрогели:
— Алгинат: Натуральный биополимер, полученный из водорослей, который часто используется благодаря его способности образовывать гидрогелевые сети в мягких тканях.
— Гиалуроновая кислота (HA): Естественный компонент внеклеточного матрикса, используемый для создания биосовместимых гидрогелей.Материалы на основе коллагена:
— Коллаген является основным структурным белком в организме человека и активно используется для создания искусственных тканей.Живые клетки:
— Стволовые клетки: Универсальные клетки, способные дифференцироваться в различные типы клеток. Стволовые клетки могут быть получены из различных источников, включая эмбриональные стволовые клетки, стволовые клетки взрослых тканей и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC).
— Клетки-органоиды: Миниатюрные и упрощённые версии органов, выращенные из стволовых клеток и используемые как биоматериалы для печати органов.Биочернила:
— Это комбинация живых клеток и биоматериалов, которые могут быть напечатаны в сложные трехмерные структуры. Биочернила должны быть биосовместимы, обеспечивать питательную среду для клеток и иметь правильные реологические свойства для печати.Материалы для поддержки и каркасов:
— Материалы на основе гидроксиапатита: Используются для печати костных тканей благодаря своей схожести с минеральной составляющей кости и применяются в стоматологии.
— Материалы на основе хондроитинсульфата: Пользуются популярностью для создания тканевого каркаса хрящевых структур.
Использование этих материалов требует точного баланса между механическими свойствами, биосовместимостью и способностью поддерживать жизнедеятельность клеток. Современные исследования активно направлены на улучшение этих материалов и методов, чтобы сделанная с их помощью искусственная ткань как можно ближе подходила к естественной.
Как 3D-принтеры обеспечивают точность анатомической геометрии?
Точность анатомической геометрии достигается благодаря высокому разрешению 3D-принтеров и использованию трёхмерных моделей, созданных на основе данных медицинских обследований, таких как МРТ и КТ и сканирование. Эти модели позволяют 3D-принтеру точно воспроизвести анатомическое строение органа или ткани, что особенно важно при создании имплантатов и хирургических моделей.
Какие органы можно напечатать на 3D-принтере?
Сегодня на 3D-принтерах уже успешно напечатаны такие органы, как кожа, хрящи, печень и почки. Разработка более сложных органов, таких как сердце, находится на стадии исследования, но уже показала многообещающие результаты. 3D-печать кожи используется для лечения ожогов, а напечатанные хрящи и кости находят применение в ортопедии и травматологии.
Печать хрящей: реконструкция уха
Источник: rokithealthcare.com
Используя различные материалы, такие как гидроксиапатит (ГАп) и сополимер молочной и гликолевой кислот (ПМГК), на принтере Rokit Dr. INVIVO 4D Premium, медицинские специалисты могут создавать печатные структуры, обладающие гибкостью. Это важно для восстановления хрящей, особенно в реконструктивной хирургии наружного уха.
Какие преимущества 3D-печать предлагает медицинскому сектору?
Какие индивидуальные протезы можно напечатать?
3D-печать позволяет создавать индивидуальные протезы, полностью соответствующие анатомическим особенностям пациента. Это могут быть зубные протезы, костные имплантаты, слуховые аппараты и многие другие изделия. Индивидуальный подход обеспечивает не только высокий комфорт для пациента, но и улучшает функциональные характеристики протезов.
Как 3D-печать помогает в изготовлении медицинских имплантатов?
Медицинские имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, могут быть изготовлены с высокой точностью и из биосовместимых материалов. Это позволяет создавать имплантаты, идеально подходящие по форме и размеру для конкретного пациента, используя 3d-принтер. Кроме того, 3D-печать используется для создания пористых структур, способствующих прорастанию костной ткани, что важно для остеоинтеграции имплантатов.
Какие хирургические модели разрабатывают с помощью 3D-печати?
3D-печать в медицине также используется для создания хирургических моделей, которые позволяют хирургам заранее планировать и отрабатывать сложные операции. Такие модели могут быть изготовлены с точностью до мельчайших деталей, что помогает хирургам лучше понимать анатомию пациента и повышает шансы на успешное проведение операции.
Другие примеры использования 3D-принтеров в медицине
На 3D-принтере начали печатать человеческие мышцы
25 августа 2023 года исследователи из американского Института биомедицинских инноваций Терасаки, расположенного в Лос-Анджелесе, объявили о создании новой методики формирования человеческих мышц с помощью 3D-печати. Этот метод, по их мнению, окажет значительную помощь в лечении пациентов, страдающих от повреждений скелетных мышц, вызванных травмами, заболеваниями или хирургическими операциями.
Развитие мышц — это сложный биологический процесс, в ходе которого клетки-предшественники, называемые миобластами, сливаются, образуя трубчатые структуры, которые позже превращаются в зрелые мышечные волокна. Для правильного сокращения и работы мышц необходимо точное выравнивание и ориентация клеток. Новая технология, разработанная американскими учеными, использует специальные биочернила для 3D-печати, которые способствуют формированию мышечной ткани.
Американские ученые объявили о создании новой технологии выращивания человеческих мышц с использованием 3D-печати. В чернила добавлены микрочастицы, содержащие инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1). Было доказано, что введение IGF-1 способствует формированию зрелой скелетной мышечной ткани из предшественниковых клеток и улучшает их структурное выравнивание, что увеличивает эффективность процесса регенерации.
Биочернила включают в себя биосовместимый гидрогель на основе желатина (GeIMA), миобластные клетки и одинаковые по размеру синтетические микрочастицы с IGF-1. Фактор роста высвобождается постепенно, по мере разложения микрочастиц, что обеспечивает длительное и равномерное воздействие. Спустя неделю после создания мышечных конструкций с использованием этих биочернил, ученые отметили улучшенное выравнивание и слияние миобластов. Десять дней после биопринтинга мышечные ткани начали сокращаться спонтанно. Таким образом, продолжительное высвобождение IGF-1 способствует созреванию и выравниванию мышечных клеток, что играет ключевую роль в восстановлении и регенерации мышечной ткани.
На 3D-принтере начали печатать перчатки для быстрой замены кожи на руках
В середине февраля 2023 года ученые из Медицинского центра Ирвинга при Колумбийском университете представили новый метод создания трехмерных биоинженерных кожных трансплантатов. Исследователи уже разработали кожаную перчатку, которая может заменить кожу на руках путем простого надевания, как обычная перчатка.
Традиционные методы кожных трансплантатов требуют взятия кожи из другого участка тела перед тем, как наложить ее на поврежденное место. Ученые занимаются разработкой биоинженерной кожи, соединяя человеческие клетки с биоматериалами, однако до сих пор эти конструкции представляли собой простые листы, которые сложно вырезать и надежно прикрепить к неровной анатомии пациентов.
Биоинженерный кожный трансплантат
Ученые разработали способ, который позволяет формировать трёхмерные структуры, напоминающие одежду, которую можно легко надеть на поврежденную ткань. Как отмечают авторы метода, помимо удобства использования, он требует создания конструкций, учитывающих особенности каждой конкретной ситуации. Это позволяет изготавливать персонализированные конструкции, идеально подходящие для каждого пациента.
Этот метод включает сканирование участка тела, предназначенного для трансплантации, например, ожога, при котором повреждена значительная часть кожи на руке. Сначала сканируется рука пациента, после чего ученые создают используя автоматизированные технологии шаблон для полой структуры, напоминающей перчатку. На следующем этапе производится 3D-печать биоматериальной подложки нужной формы. Далее подложку засевают белками соединительной ткани, такими как коллаген, и кожными фибробластами, которые способны вырабатывать компоненты соединительной ткани. Затем исследователи высаживают кератиноциты на внешнюю часть трансплантата для создания эпидермального слоя. После определенного времени культивирования, по мнению ученых, трансплантат можно будет надеть на поврежденную руку, как перчатку, используя стандартный хирургический подход.
Имплантаты для челюстно-лицевой хирургии
Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) и Томского национального исследовательского медицинского центра создали первую в России технологию производства имплантатов для челюстно-лицевой хирургии с использованием 3D-принтера из отечественных материалов и протестировали её на первых пациентах. Об этом пресс-служба учебного заведения объявила 18 августа 2023 года.
Имплантаты производятся из фторсодержащих полимеров с помощью 3D-печати на основании данных компьютерной томографии. В основе изделий лежат фторполимеры российской компании «ГалоПолимер» (Кирово-Чепецк). По словам разработчиков, имплантаты с использованием фотополимеров обладают рядом преимуществ. Они легкие, быстро приживаются в организме и не препятствуют проведению лучевой терапии. К тому же, технология 3D-печати позволяет индивидуально подходить к каждому клиническому случаю.
Разработана первая в РФ технология изготовления на 3D-принтере имплантатов для челюстно-лицевой хирургии
В процессе изготовления имплантата мы проходим полный технологический цикл: от подготовки полимерного порошка до контроля качества напечатанного изделия. При этом используем не только отечественное сырье, но и отечественное оборудование. Традиционно для лечения онкологических патологий в области головы и шеи используются индивидуальные имплантаты из титана. Однако для их изготовления, как правило, используется импортное сырье, поставщики которого ушли из России, — приведены в сообщении слова руководителя проекта, научного сотрудника Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгения Больбасова.
С применением российской технологии были прооперированы три пациента НИИ онкологии Томского НИМЦ с злокачественными опухолевыми заболеваниями челюстно-лицевой области 3–4 стадий, в частности, с дефектами костной ткани верхней челюсти.
Habrahabr.ru прочитано 1201 раз
