Обзор применения 3D-принтеров в медицине

Здравствуйте! С вами Top 3D Shop и в очередном обзоре мы рассказываем о применении 3D-принтеров и 3D-печати в медицине. Узнайте больше из этой статьи.

Содержание

• Использование 3D-печати в медицине
• Пять основных направлений использования 3D-печати в медицине
  • Подготовка к операциям и обучение студентов
  • Биопечать тканей и органов
  • Печать хирургических инструментов
  • «Печать» лекарств
  • Протезирование и стоматология
• Примеры использования
  • Печать модели сердца четырехлетнего пациента, 3D-принтер Zortrax M200
  • Искусственные роговицы, изготовленные на 3D-биопринтере Nano master SMP-III
  • Институт регенеративной медицины Уэйк Фореста, мобильный 3D-принтер для лечения обширных ран
  • Биполярный хирургический зажим Volt для лапароскопических операций, компания Bite
  • Печать хрящей: реконструкция уха
  • Изготовление почки с васкуляризацией
  • Производство зубных коронок
  • Изготовление черепного импланта
  • Печать стоматологических оттисков
  • Печать протезов
  • Разработка протезов
  • Печать модели сердечно-сосудистой системы
  • Печать медицинского экзоскелета
• Заключение

Использование 3D-печати в медицине

Источник: docwirenews.com

3D-печать применяется в медицине с начала 2000-х годов, когда эта технология впервые использовалась для изготовления зубных имплантатов. С тех пор применение 3D-печати в медицине значительно расширилось: врачи со всего мира описывают способы использования 3D-печати для производства ушей, деталей скелета, дыхательных путей, челюстной кости, частей глаза, клеточных культур, стволовых клеток, кровеносных сосудов и сосудистых сетей, тканей и органов, новых лекарственных форм и многого другого.

Источник: zortrax.com

Использование файлов с моделями для 3D-печати дает возможность для обмена работами среди исследователей. Вместо того, чтобы пытаться воспроизвести параметры, описанные в научных журналах, врачи могут использовать и модифицировать готовые 3D-модели. С этой целью в 2014 году Национальные институты здравоохранения учредили биржу 3dprint.nih.gov, чтобы содействовать обмену 3D-моделями с открытым исходным кодом для медицинских и анатомических изделий, нестандартного оборудования и макетов белков, вирусов и бактерий.

Источник: 3dprint.com

Современное медицинское использование 3D-печати можно разделить на несколько широких категорий: изготовление тканей и органов, создание протезов, имплантатов и анатомических моделей, печать инструментов и фармацевтические исследования.

Пять основных направлений использования 3D-печати в медицине

Подготовка к операциям и обучение студентов

Источник: 3dprint.com

Учет индивидуальных различий и особенностей анатомии конкретного человеческого тела дают возможность использовать напечатанные 3D-модели для подготовки хирургических операций. Наличие у врача осязаемой модели органа конкретного пациента, сделанной например по результатам КТ (компьютерной томографии) для изучения или для имитации операции, существенно снижает риск врачебных ошибок.

Источник: openbiomedical.org

Использование 3D-моделей для тренировки хирургов и студентов предпочтительнее, чем обучение на трупах, так как не создает проблем в отношении доступности и стоимости объектов. Трупам часто не хватает соответствующей патологии, поэтому они больше подходят для уроков по анатомии, чем для представления пациента с соответствующим изучаемой теме нарушением. С помощью 3D-печати можно создать модель любого органа с любой известной патологией.

Источник: ncbi.nlm.nih.gov

Нейроанатомические модели, напечатанные на 3D-принтере, могут быть особенно полезны для нейрохирургов, давая представление о самых сложных структурах в организме человека, которое принципиально невозможно получить, основываясь на двумерных изображениях.

Биопечать тканей и органов

Источник: hbr.org

Биопечать – один из многих видов 3D-печати, использующихся в области медицины. Вместо того, чтобы печатать с использованием пластика или металла, биопринтеры используют шприц-дозатор для нанесения биочернил (слоев живых клеток или структурирующей основы для них) при создании искусственной живой ткани. Помимо использования в качестве альтернативы донорским тканям, такие тканевые конструкции или органоиды могут быть использованы для медицинских исследований.

Источник: press.ginkgo3d.com

Хотя системы трехмерной биопечати могут быть лазерными, струйными или экструзионными, биопечать по струйной технологии является наиболее распространенной. Несколько печатающих головок можно использовать для размещения различных типов клеток (органоспецифичных, клеток кровеносных сосудов, мышечных тканей), что является основной задачей при изготовления гетероцеллюлярных тканей и органов. 3D-печать биологическими материалами может быть использована для регенерации тканей, а в перспективе и органов, непосредственно на пациенте.

Печать хирургических инструментов

Детали захвата Volt, Источник: bitegroup.nl

Современные хирурги стараются проводить операции с как можно меньшей травматичностью для пациента, поэтому для них очень часто требуется персонализированный инструмент. Использование 3D-печати позволяет создавать такие инструменты в течение нескольких часов.

Визуализация модели захвата Volt, Источник: bitegroup.nl

Теперь врач может самостоятельно модифицировать готовую модель, придав ей необходимые размеры и форму для удобства и эффективности работы. Стоматологи теперь могут прямо при пациенте создать, например, индивидуальные направляющие, исключающие возможность повреждения здоровых зубов при протезировании.

Про зажим Вольт, с фотографий выше, читайте далее в разделе “Примеры использования”.

А вот как создают инструменты при помощи 3D-печати металлом студенты Duke University в Дареме, Северная Каролина.

«Печать» лекарств

Источник: mdpi.com

Технологии 3D-печати уже используются в фармацевтических исследованиях и персонализированной медицине, сфера их применения постоянно расширяется. 3D-печать дает возможность точного контроля дозы препаратов и производства лекарственных форм со сложными профилями высвобождения медикаментов и пролонгированным действием. Теперь фармацевты могут анализировать фармакогенетический профиль пациента и другие характеристики, такие как возраст, вес или пол, чтобы определить оптимальную дозу лекарственных средств и последовательность их применения. При необходимости доза может быть скорректирована, в зависимости от клинического ответа. С помощью 3D-печати можно производить персонализированные лекарства в совершенно новых рецептурах, таких как таблетки, содержащие несколько активных ингредиентов либо в виде одной смеси, либо в виде сложных многослойных таблеток.

Протезирование и стоматология

Источник: eos.info

3D-печать успешно используется в медицине для изготовления сложных индивидуальных протезов или хирургических имплантатов. Имплантаты и протезы любой возможной геометрии могут быть изготовлены переводом рентгеновских, МРТ- или КТ-снимков в модели для 3D-печати с помощью специального программного обеспечения.

Быстрое изготовление нестандартных имплантатов и протезов решает насущную проблему в ортопедии, где стандартные имплантаты часто не подходят пациенту. Это верно и для нейрохирургии: черепа имеют индивидуальную форму, поэтому сложно стандартизировать черепной имплантат. Ранее хирургам приходилось использовать различный инструмент для модификации и подгонки имплантатов, иногда и прямо во время операции. Использование 3D-принтеров делает эту процедуру ненужной. Аддитивные технологии особенно востребованы, когда необходимо срочное изготовление имплантатов.

Настоящая революция в стоматологии произошла с появлением 3D-технологий.

Источник: hypowerfuel.com

Во-первых, стало возможно полное и точное трехмерное сканирование полости рта. Во-вторых, использование 3D-печати дало возможность создавать протезы, абсолютно точно соответствующие анатомии пациента, без необходимости долгой и малоприятной подгонки. Радикальное уменьшение доли ручного труда при изготовлении протезов или виниров позволило уменьшить требуемые допуски при производстве, расширить перечень используемых материалов и увеличить удовлетворенность пациентов от результатов работы врача.

Примеры использования

Печать модели сердца четырехлетнего пациента, 3D-принтер Zortrax M200

На фото: модель сердца в собранном виде. Источник: zortrax.com

В Медицинском университете Гданьска (Польша) для подготовки к проведению операции по лечению сложного врожденного порока сердца (тетрады Фалло – неправильной работе сердечного клапана легочной артерии) у четырехлетнего пациента, специалистами Кафедры детской кардиологии и врожденных пороков сердца, совместно с коллегами с Кафедры кардиохирургии и радиологии, был использован 3D-принтер Zortrax M200.

На фото: искусственный клапан легочной артерии. Источник: zortrax.com

Современный метод лечения заключается во введении через бедренную вену катетера, через который к сердцу подается искусственный клапан для имплантации. Это очень сложная операция, требующая от врача детального знания индивидуальных особенностей анатомии пациента.

На фото: модель сердца во время печати. Источник: zortrax.com

До сих пор врачи могли полагаться только на 3D-модель на экране компьютера, созданную на основе КТ- и МРТ-снимков, а такой реконструкции не всегда хватает для получения полного представления о реальном органе и возможных сложностях.

Источник: zortrax.com

Наличие высокодетализированной осязаемой модели живого органа пациента во время подготовки к операции может иметь решающее значение для ее успеха. Даже опытные хирурги оценили потенциал новой технологии. Раньше было трудно заметить индивидуальные особенности и деформации, теперь это стало ощутимым и доступным для более тщательного изучения.

Модель была напечатана в течение 24 часов. Материал Z-ULTRAT был использован для печати сердца, и материал Z-GLASS — для печати сосудов. После успешно проведенной операции, модель была передана Университету для обучения студентов.

Искусственные роговицы, изготовленные на 3D-биопринтере Nano master SMP-III

Источник: europepmc.org

В Южной Корее около 2000 пациентов ожидают донорства роговицы, а время ожидания операции составляет в среднем шесть лет. Для пациентов, которые не могут найти подходящего донора, есть возможность имплантировать искусственные роговицы, состоящие из рекомбинантного коллагена и синтетических полимеров. К сожалению, они часто не приживаются и не являются полностью прозрачными. Это связано с особой структурой роговицы в виде решетчатых коллагеновых фибрилл, которую до сих пор не удавалось воспроизвести. Группа исследователей из Университета науки и технологий Пхохана и Школы медицины Национального университета Кунгпука в Южной Корее разработала метод 3D-печати искусственной роговицы с использованием тканевого материала пациента.

Источник: ithl.co.kr

Для печати использовался 3D-биопринтер с системой микроэкструзии Nano master SMP-III, Musashi Engineering, Tokyo, Japan, со следующими параметрами:

• скорость печати 130мм/мин;

• скорость экструзии 0,0024 мм/с;

• диаметр сопла 0,29 мм;

• температура печати 4 °C.

Напечатанная и заполненная биоматериалом роговица затем четыре недели культивировалась в инкубаторе при температуре 37 °C.

Источник: europepmc.org

Искусственная роговица, напечатанная на 3D-принтере и изготовленная из децеллюляризованной стромы роговицы и стволовых клеток пациента, может полностью заменить донорскую роговицу в хирургии глаза. Поскольку такая роговица состоит из материалов, полученных из тканей самого пациента, она полностью совместима. Технология клеточной 3D-печати воспроизводит естественную микросреду глаза, что позволяет добиться прозрачности, аналогичной таковой у человеческой роговицы.

Профессор Университета науки и технологий Пхохана Джина Джанг сказала:

«Мы уверены, что эта технология вернет зрение многим пациентам, страдающим заболеваниями роговицы».

Институт регенеративной медицины Уэйк Фореста, мобильный 3D-принтер для лечения обширных ран

Источник: 3dnatives.com

Традиционный метод лечения обширных ожогов — пересадка кожи, при которой здоровая кожа с наименее пострадавших частей тела пациента пересаживается на место поврежденной. Помимо того, что этот метод дополнительно травматичен для пострадавшего, в некоторых случаях на теле может вообще не остаться здоровой кожи для использования. Медицинская школа Уэйк Форест разработала принтер, который может непосредственно на ране печатать клетки кожи, выращенные из тканей пациента.

Источник: 3dnatives.com

Ручной 3D-сканер ZScanner Z700 используется для определения размера и глубины раны. На основе этой информации 3D-принтер печатает подкожные, дермальные и эпидермальные клетки кожи на соответствующих глубинах, чтобы полностью покрыть рану.

Источник: 3dnatives.com

Система 3D-биопечати, разработанная учеными, состоит из перемещающейся по трем осям печатающей головки с восемью соплами диаметром 260 мкм с независимыми дозаторами. Специально для этого устройства исследователи создали биочернила, состоящие из аутологичных дермальных фибробластов и эпидермальных кератиноцитов в носителе из гидрогеля.

Биполярный хирургический зажим Volt для лапароскопических операций, компания Bite

Источник: bitegroup.nl

Volt — 3D-печатный биполярный лапароскопический зажим — миниатюрное устройство для зажимания и коагуляции (прижигания) сосудов и тканей, например — для остановки кровотечений при операции. Был создан для применения в малоинвазивной (щадящей) хирургии в 2016 году и успешно испытан на печени свиньи.

Источник: bitegroup.nl

Дизайн устройства позволяет легко регулировать геометрию стержня и наконечника в зависимости от анатомии пациента и требований к операции. Маневренный хвостовик — ± 65 ° для боковых движений и ± 85 ° вверх и вниз. Жесткость при изгибе 4,0 Н/мм для соединения 1 и 4,4 Н/мм для соединения 2, что значительно выше, чем у ранее доступных управляемых инструментов. Наконечник состоит из двух 3D-печатных титановых подвижных губок с углом раскрытия до 170 °. Инструмент подключается к электрохирургическому аппарату Erbe и способен успешно коагулировать ткани температурой 75 °C, достигаемой за 5 с.

Печать хрящей: реконструкция уха

Источник: rokithealthcare.com

Применяя несколько материалов, таких как гидроксиапатит (ГАп) и сополимер молочной и гликолевой кислот (ПМГК), и используя на принтере Rokit Dr. INVIVO 4D Premium шприц-дозатор, медицинские специалисты могут напечатать структуры, обладающие гибкостью. Это необходимо для восстановления хрящей, в частности — при реконструктивной хирургии наружного уха.

Изготовление почки с васкуляризацией

Источник: rokithealthcare.com

Использование 3D-принтера в медицине позволяет печатать импланты, в том числе из культивированных клеток самого пациента. Для изготовления васкуляризованной человеческой почки на Rokit Dr. INVIVO 4D понадобятся клетки нефронов почки, метакрилат-желатин, элюирующий ЛС и эндотелиальные клетки вены пуповины человека. Результат — создание кольцеобразного элюирующего каркаса, содержащего проангиогенные препараты внутри и антиангиогенные препараты снаружи, а также выстилание двух указанных каркасов, соответственно, эндотелиальными клетками и клетками проксимального почечного канальца.

Производство зубных коронок

Изготовление металлических изделий с уникальными габаритами — распространенная задача в стоматологии. Например, создание стоматологических коронок. 3D-принтер Farsoon FS121M позволяет ускорить и упростить производство таких изделий. Аппарат, который работает по технологии селективного лазерного плавления (SLM), за 3 ч печатает 160 металлических коронок. Использование мелкодисперсного порошка и лазерного луча с диаметром пятна в 40 мкм обеспечивает высочайшую точность изделий.

Изготовление черепного импланта

Изготовление костных имплантов из титана — это производство штучного продукта. Именно в таких случаях проявляются достоинства 3D-принтеров, которые работают по технологии селективного лазерного плавления. Специалисты могут за считанные часы с высочайшей точностью напечатать имплант заданной формы. В примере на видео использован SLM 3D-принтер Farsoon FS271M, материал для печати — титановый сплав Ti64.

Печать стоматологических оттисков

Источник: raise3d.com

Сравнительно недорогая 3D-печать по технологии FDM также активно используется в различных областях медицины. Например, 3D-принтер Raise3D Pro2 позволяет сделать стоматологические оттиски, необходимые в ортодонтии. Огромное преимущество такого метода — сокращение работы с пациентом. Для получения 3D-модели используется 3D-сканер, этот процесс длится около минуты. Для дальнейшей работы ортодонтов в качестве прототипа используется напечатанная на принтере пластиковая модель. Такую схему работы выбрали специалисты французской клиники Ortho 34.

Печать протезов

Источник: raise3d.com

Использование FDM-принтеров становится незаменимым решением, когда необходимо упростить и удешевить создание эксклюзивных протезов. Для жителей Сьерра-Леоне, пострадавших в ходе гражданской войны, была разработана специальная программа по печати протезов руки. Дизайнер из Канады Albert Fung разработал CAD-модель протеза, которую в качестве основы используют врачи в Африке. Специалисты в Сьерра-Леоне адаптируют трехмерную модель для каждого пациента и печатают изделие на Raise3D Pro2. Создание такого протеза стоит $50, в то время как стоимость протезов, изготовленных по другим технологиям может составлять тысячи долларов США.

Разработка протезов

Источник: 3d-scantech.com

Создание протезов ноги — задача, которая требует применения не только технологий 3D-печати для производства, но и технологий 3D-сканирования для получения точной информации о форме культи, так как гильза протеза должна точно соответствовать ей.

Компания ScanTech продемонстрировала возможности 3D-сканера iReal в решении данного вопроса.

Применение 3D-сканирования экономит очень много времени: традиционное получение данных для создания протеза предполагает использование гипсовых накладок и для минимизации ошибок требуется 10 слепков. Время нужно на то, чтобы гипс затвердел на ноге пациента, а затем еще больше — для обработки слепков. Подготовительный процесс в данном случае длится около двух рабочих дней.

С 3D-сканером ScanTech iReal создание CAD-файла занимает не более получаса.

Печать модели сердечно-сосудистой системы

При обнаружении сердечно-сосудистого заболевания, в большинстве случаев, хирургам достаточно сделать КТ и МРТ сердца, чтобы разработать программу лечения. Однако при обнаружении редкого заболевания, особенно у новорожденных, риск допустить ошибку очень высок, поэтому требуется детальная проработка программы лечения. В University Clinical Center в Гданьске (Польша) для сложных случаев используют 3D-принтер Sinterit Lisa. Аппарат, который работает по технологии селективного лазерного спекания (SLS), предназначен для печати объектов с высочайшей точностью. В данном случае врачи напечатали трехмерную модель сердечно-сосудистой системы, чтобы внимательно исследовать аномалию и провести репетицию операции.

Печать медицинского экзоскелета

Источник: sinterit.com

Детям со спинальной мышечной атрофией необходимы медицинские экзоскелеты, которые позволят им свободно двигаться без посторонней помощи. Дизайнерское бюро Barłomiej Gaczorek Design studio разработало модель поддерживающего экзоскелета для рук. Элементы этого устройства были напечатаны на 3D-принтере Sinterit Lisa. Выбор в пользу SLS-принтера был сделан из-за сложной внутренней конструкции экзоскелета. При печати по технологии SLS нет необходимости в печати поддержек и последующеи их удалении, при этом точность и качество напечатанного изделия гораздо выше и/или дешевле, по сравнению с другими технологиями 3D-печати.

Заключение

Источник: intermercados.com.br

Применение аддитивных технологий в медицине настолько стремительно расширяется, что больше похоже на революцию в здравоохранении — оно дает возможность индивидуализации лекарств и медицинских изделий, повышает экономическую эффективность и производительность труда медиков, давая им новые возможности, сокращает время ожидания и повышает качество результата для пациентов, делает качественную медпомощь более доступной.