3D-принтеры: революция в медицине

Видео: Российские ученые создали первый в стране 3D принтер по металлу

Сидни Кендалл (Sydney Kendall) потеряла свою правую руку по локоть в результате несчастного случая на лодке, когда ей было всего 6 лет. Теперь, когда Сидни исполнилось 13, она должна каждый день пользоваться протезами.

Но эти изделия не могут сравниться по практичности («не такие крутые», как говорит сама Сидни) с новым розовым пластиковым протезом, отпечатанным на 3D-принтере.

Эта рука была разработана по специальному заказу лично для Сидни этой весной, выполнена в желаемом цвете.

Разработчиком протеза стал студент Университета Вашингтона в Сент-Луисе, который сотрудничал с врачами больницы Shriners Hospital. Примечательно, что Сидни и ее родители даже могли наблюдать за процессом печати.

«Чтобы сделать каждый палец, нужно было всего по 7 минут. Мы все были поражены», - говорит Бет Кендалл, мама Сидни.

Когда девочка пришла в школу с новым протезом, ее одноклассники также были в восторге от дизайна. Ей говорили: «Всем понравилась твоя новая рука, ты выглядишь так круто. Ты станешь знаменитостью!».

Роботизированная рука с управляемыми пальцами помогает Сидни ловить бейсбольный мяч, управлять компьютерной мышкой, брать чашку с кофе.

Цена вопроса? Около 200$. Традиционный роботизированный протез в США может стоить 50000-70000$, а его придется заменять по мере того, как ребенок будет расти.

«Дети обычно не получают роботизированные протезы по причине их дороговизны», - заметила мама Сидни.

Роботизированные протезы, отпечатанные по индивидуальному заказу на 3D-принтере – это поистине новая эпоха в персонализированной медицине.

От протезирования зубов до сердечных клапанов – технология 3D-печати открывает невероятные возможности для создания индивидуальных медицинских устройств. Эксперты говорят, что сегодня десятки больниц в США экспериментируют с 3D-принтерами, а исследователи придумывают все более невероятные области применения этой технологии, вплоть до печати человеческих органов.

Для того чтобы помочь исследователям из разных уголков мира делиться своими экспериментами в области 3D-печати, Национальный институт здоровья США в июне 2014 года запустил сеть, позволяющую зарегистрированным пользователям загружать чертежи таких изделий.

«3D-печать – это потенциальная революция в правилах игры в медицинских исследованиях. Здесь, в Национальном институте здоровья, мы видим невероятную отдачу от инвестиций: копеечный пластик помогает ученым решать сложнейшие технологические задачи, экономя миллионы долларов и бесценное время», - говорит директор NIH доктор Фрэнсис Коллинз (Francis Collins).

Один из ведущих исследователей в этой области доктор Энтони Атала (Anthony Atala), директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест (Wake Forest Institute of Regenerative Medicine), лучше всех понимает перспективы 3D-принтеров. Он уже создал миниатюрную печень, которая «живет» в чашке Петри, проверяет новые лекарства и служит прототипом для создания будущих органов.

Что такое 3D-печать?

Представьте себе струйный принтер, который вместо распыления чернил и печати букв выдает струю быстрозастывающего пластика или металлического геля, которые приобретают форму зуба, пальца или сустава. Такому устройству нужна команда от трехмерного МР- или КТ-сканера, который передает точные параметры части тела, которую нужно скопировать. 3D-принтер печатает объект постепенно, нанося материал слой за слоем.

Хотя 3D-принтеры существовали с 1980-х годов, медицинское использование этого уникального устройства стали серьезно обдумывать только в последние несколько лет. 3D-принтер может создавать гораздо более сложные геометрические фигуры, чем традиционная промышленность, которой потребовались бы многочисленные специальные заготовки и формы для каждого такого изделия. Поэтому теперь можно отпечатать точную копию кости или сустава, и стоить это будет гроши.

Процесс экономит время и деньги, перенося производство медицинских изделий, что называется, к койке пациента. Точных данных ни у кого нет, но профессор биомедицинского инжиниринга Скотт Холлистер (Scott Hollister) считает, что в США больницы в той или иной форме уже используют несколько десятков 3D-принтеров.

Зубы, конечности и слуховые приборы

3D-печать уже широко используется для производства различных частей тела (обычно из пластика и металла), которые контактируют с тканями, но не входят в кровоток. Сюда относят зубы, слуховые устройства, а также протезы конечностей.

«В прошлом стоматологическая коронка изготавливалась в зуботехнической лаборатории, что могло занять несколько дней, а пациенты должен быть совершить 2-3 визита к дантисту», - рассказывает доктор Чак Цанг (Chuck Zhang), преподаватель индустриального и системного инжиниринга в Технологическом институте Джорджии (Georgia Tech). Сегодня дантист может просто сделать 3D-снимок вашего зуба и напечатать коронку прямо на месте.

Эта технология дает пациентам после ампутации конечности, таким как Сидни, альтернативу привычным страшноватым на вид и непрактичным протезам. Студии 3D-печати часто разрабатывают протезы вместе с клиентами, что позволяет создать произведение искусства, которое будет не только облегчать жизнь, но и вызывать положительные эмоции у окружающих.



Доктор Цанг и его коллеги из Georgia Tech активно работают над созданием новых протезов для военных ветеранов. Его команда использует материалы для 3D-печати, чтобы создавать протезные карманы, которые адаптируются к изменениям уровня жидкости в организме. При необходимости эти карманы становятся мягче или тверже, чтобы не вызывать дискомфорт при ношении протеза.

Имплантируемые устройства

Пластик и металл для 3D-принтеров уже используются и внутри человеческого тела. Врачи детской больницы Mott Children&rsquo-s Hospital Мичиганского университета с 2012 года спасли жизни двух детей, имплантировав им отпечатанные на принтере дыхательные пути.

У этих малышей была редкая врожденная аномалия – трахеобронхомаляция. Без лечения их слабые дыхательные пути спадались, и дети умерли бы. Единственное лечение – это трахеостомия и подключение к аппарату искусственной вентиляции легких в надежде, что через несколько лет их дыхательные пути в достаточной мере окрепнут.

От этого кошмара детей спасла новая технология. У 17-месячного Гарретта Петерсона (Garrett Peterson) не наблюдалось никаких признаков того, что дыхательные пути на ИВЛ окрепнут и позволят отключить ребенка. Врачи из Юты, где его лечили, сделали все, что возможно.

«Все в мире должно было быть прекрасно. Гарретт не мог плакать, потому что он синел. Мы должны были поддерживать его все время в счастливом расположении духа, но это было нереально – вечно держать его на аппарате», - говорит отец ребенка.

Петерсоны прочитали статью о том, как ребенку с похожей проблемой университетские врачи в 2012 году имплантировали отпечатанную на 3D-принтере трахею. Они решили не медлить, и обратились за помощью к ним.

Основываясь на КТ-снимках дыхательных путей Гарретта, хирург доктор Грин (Green) и профессор биомедицинского инжиниринга Холлистер разработали и отпечатали персонализированную дыхательную трубку, которая позволила бы ребенку дышать самостоятельно. Со временем его тело должно было «впитать» этот протез, и дыхательные пути оставались бы открытыми сами по себе.

Впоследствии в больнице Mott Children&rsquo-s Hospital впервые провели эту фантастическую процедуру.

«Я думаю, это был прекрасный пример использования 3D-принтера в ситуации жизни или смерти», - сказал Холлистер.

Стоимость трахеостомии и последующего поддержания таких детей на искусственной вентиляции составляет порядка 1 миллиона долларов за пациента. Разработка, печать и операция по установке дыхательной трубки, по словам Холлистера, обойдется в 200000-300000$.

Хирурги имплантировали пациентам и другие 3D-устройства. Черепные заплатки для заполнения полостей после операций на мозге, например. Черепные пластины для замены больших фрагментов черепной кости, которые пациенты теряют в результате травм или рака. Клиника Мэйо (Mayo Clinic) и некоторые другие лечебные учреждения уже предлагают замену сустава на протез, напечатанный с помощью 3D-принтера. Такие персонализированные суставы минимизируют объем вмешательства и сокращают время пребывания в стационаре.

FDA на сегодняшний день владеет двумя лабораториями, которые изучают возможности 3D-принтеров для производства медицинских устройств.

Живые ткани

Кроме металла и пластика врачи и ученые по всей стране работают над заправкой 3D-принтеров живыми человеческими клетками. Это дало начало печатанию живой ткани, или биопринтингу (bioprinting). Главная цель таких работ – научиться печатать полноценные живые органы для трансплантации, используя для полной совместимости собственные клетки пациентов.

Некоторые эксперты уверены, что за несколько десятилетий это произведет революцию в трансплантологии. Пациенты не будут умирать тысячами, не дождавшись донорского органа. Уйдет в прошлом такое ужасное явление, как отторжение трансплантата.

Доктор Атала из Института Уэйк Форест говорит, что исследователи уже сегодня могут использовать созданную им миниатюрную печень для испытаний лекарств на гепатотоксичность. Ученые ожидают, что этот метод будет гораздо более точным и гуманным, чем нынешние испытания на животных и пациентах-добровольцах.

Биомедицинские инженеры используют несколько методов для печати органов. Принтер создает пластиковый каркас, который затем может быть покрыт человеческими клетками. Или принтер может впрыскивать живые клетки в коллагеновый гель, который удерживает структуры органа вместе. После печати клетки должны расти на своем каркасе в течение нескольких недель в лаборатории, прежде чем орган сможет нормально функционировать.

После установки органа на место каркас убирают, и остается только живая человеческая ткань, идеально совместимая с организмом реципиента. Если орган пересаживают ребенку, то он сможет расти вместе с ним, исключая необходимость в повторных пересадках.

Биоинженеры из Университета Корнелла (Cornell University) и Мичиганского университета (University of Michigan) наиболее интенсивно работают над этой концепцией. Многие лаборатории давно печатают органы для тестирования лекарств, а производство заплаток для поврежденных органов – это дело недалекого будущего.

По мнению профессора Холистера, уже в скором времени медицинские 3D-принтеры появятся абсолютно в каждом лечебном учреждении, изменив до неузнаваемости облик здравоохранения.