5 инновационных способов применения 3D-печати в медицине

Персонализированные и точные решения в области медицины приобретают все большую популярность. Новые инструменты и передовые технологии приближают врачей к пациентам за счет предоставления лечения и приспособлений, удовлетворяющих потребностям каждого отдельного человека.

Расширение применения технологий 3D-печати в области здравоохранения внесло огромный вклад в повышение качества медицинских услуг. Благодаря новым инструментам и подходам к лечению, разработанным с помощью 3D-печати, пациенты чувствуют, что их лечение становиться более комфортным и индивидуальным. Врачам новая доступная технология позволяет лучше проанализировать сложные случаи и предоставляет новые инструменты, которые в конечном итоге могут повысить стандарты медицинской помощи.

Далее в этой статье вы узнаете о пяти направлениях — от моделей для планирования хирургической операции до сосудистых систем и биореакторов, в которых 3D-печать используется в здравоохранении, и о том, почему многие медицинские работники видят у этой технологии большой потенциал.

1. Индивидуальные анатомические модели пациента

В современной медицинской практике полученные 3D-печатью анатомические модели на основе данных сканирования тела пациента становятся все более незаменимыми инструментами, так как обеспечивают более персонализированное и точное лечение. По мере того как случаи становятся более сложными, а продолжительность операций при стандартных случаях становится все более значимой, визуальные и тактильные анатомические модели помогают хирургам лучше понять свою задачу, повысить эффективность взаимодействия между собой и упростить общение с пациентами.

Медицинские работники, больницы и исследовательские институты по всему миру используют анатомические модели, напечатанные на 3D-принтере, в качестве справочных инструментов предоперационного планирования, интраоперационной визуализации, а также для определения размеров медицинских инструментов или предварительной настройки оборудования как для стандартных, так и для очень сложных процедур, что находит отражение в сотнях научных публикаций.

Врачи могут использовать индивидуальные анатомические модели пациента, чтобы объяснить ему процедуру, что упрощает получение согласия пациента и уменьшает его беспокойство.

Подготовка к операции с использованием предоперационных моделей также может повлиять на эффективность лечения. Опыт доктора Майкла Эймса подтверждает это. После получения репликации костей предплечья молодого пациента доктор Эймс понял, что травма отличается от той, которую он предполагал.

С учетом этой информации доктор Эймс выбрал новую операцию на мягких тканях, которая была гораздо менее инвазивной, сокращала время реабилитации и приводила к образованию гораздо меньшего числа рубцов. Используя отпечатанную репликацию костей, доктор Эймс объяснил процедуру молодому пациенту и его родителям и получил их согласие.

Результат? Операция длилась менее 30 минут вместо первоначально запланированных трех часов. Благодаря такому сокращению времени операции больнице удалось избежать затрат на сумму около 5500 долларов США, а пациенту быстрее восстановиться.

По словам д-ра Алексиса Данга, хирурга-ортопеда Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Медицинского центра управления по делам ветеранов в Сан-Франциско: «Все наши хирурги-ортопеды, работающие на полную ставку, и почти все наши хирурги, работающие неполный рабочий день, использовали полученные 3D-печатью модели для лечения пациентов в медицинском центре для ветеранов в Сан-Франциско. Мы все могли видеть, что 3D-печать повышает эффективность нашей работы».

Появление новых биосовместимых медицинских полимеров для 3D-печати открыло возможности для разработки новых хирургические инструменты и методов, позволяющих далее улучшать клинические операционные процедуры. К ним относятся стерилизуемые ложки, контурные хирургические шаблоны и модели имплантатов, которые можно использовать для определения размера имплантата перед началом операции, что помогает хирургам сократить время и повысить точность сложных процедур. 

Тодд Гольдштейн, доктор философии (PhD), преподаватель Института медицинских исследований имени Файнштейна, дает однозначную оценку важности технологии 3D-печати для работы своего отдела. По его оценкам, если бы сеть медицинских учреждений Northwell использовала полученные 3D-печатью модели в 10–15 % случаев, это могло бы сэкономить 1 750 000 долларов в год.

«Будь то прототипы медицинских устройств, сложные анатомические модели для нашей детской больницы, разработка учебных систем или изготовление хирургических шаблонов для стоматологических клиник — [технология 3D-печати] увеличила наши возможности и уменьшила наши расходы в различных сферах деятельности. При этом мы получили возможность производить инструменты для лечения пациентов, которые было бы практически невозможно воссоздать без нашего востребованного стереолитографического 3D-принтера», — говорит Гольдштейн.

2. Новые медицинские устройства и инструменты

3D-печать стала фактически синонимом быстрого прототипирования. Простота использования и низкая стоимость 3D-печати при внедрении внутри компании также произвели революцию в области разработки продуктов, и многие производители медицинских инструментов адаптировали технологию для производства совершенно новых медицинских устройств и хирургических инструментов.

Более 90 процентов среди 50 ведущих компаний-производителей медицинских устройств используют 3D-печать для создания точных прототипов медицинских устройств, а также зажимных и крепежных приспособлений для упрощения испытаний.

По словам Алекса Дрю, ведущего инженера-механика DJO Surgical, международном поставщике медицинских устройств: «Прежде чем компания DJO Surgical приобрела [3D-принтер Formlabs], мы печатали почти все свои прототипы, привлекая сторонние организации. Сегодня мы работаем с четырьмя принтерами Formlabs и очень довольны результатами. Скорость 3D-печати возросла вдвое, стоимость сократилась на 70 %, а уровень детализации позволяет эффективно согласовывать конструкции с хирургами-ортопедами.

3D-печать помогает ускорить процесс проектирования, позволяя итерировать сложные конструкции в течение нескольких дней, а не недель. Когда Coalesce было поручено создать ингаляторное устройство, которое могло бы выполнять цифровую оценку профиля инспираторного потока пациента с астмой, использование аутсорсинга привело бы к значительному увеличению времени производства каждого прототипа. До отправки файлов проекта сторонней компании для физической реализации проекта они должны были бы быть тщательно проработаны и проведены через различные итерации. 

Вместо этого настольная стереолитографическа 3D-печать позволила Coalesce осуществить весь процесс создания прототипов внутри компании. Прототипы были пригодны для использования в клинических исследованиях и выглядели так же, как готовый продукт. Более того, когда компания демонстрировала устройство, ее клиенты ошибочно приняли прототип за конечный продукт.

В целом, внедрение собственного производства привело к исключительному сокращению времени изготовления прототипов на 80–90 %. Кроме того, печать моделей заняла всего восемь часов, а их окончательная обработка и окраска были закончены в течение нескольких дней, в то время как при обращении к услугам стороннего подрядчика тот же процесс занял бы неделю или две.

3. Доступные протезы

Каждый год сотни тысяч людей теряют конечности, но только часть из них имеет возможность восстановить функцию конечности с помощью протеза.

Обычные протезы доступны только в нескольких размерах, поэтому пациенты должны приспосабливаться под то, что подходит лучше всего. С другой стороны, бионические протезы с индивидуальными параметрами, позволяющие имитировать движения и захваты реальной конечности на основе импульсов уцелевших мышц конечности, являются настолько дорогими, что ими могут воспользоваться только пациенты, живущие в ​​развитых странах и имеющие самую лучшую медицинскую страховку. В случае детских протезов ситуация усугубляется еще сильнее. Дети растут и неизбежно перерастают свои протезы, которые, как следствие, нуждаются в дорогостоящих модификациях.

Сложность заключается в отсутствии производственных процессов, которые позволяли бы выполнять индивидуальные заказы по доступной цене. Но все чаще протезисты стремятся сократить эти высокие финансовые барьеры на пути к реабилитации с помощью гибких проектировочных возможностей 3D-печати. 

Такие инициативы, как e-NABLE, позволяют людям по всему миру узнавать о возможностях полученных 3D-печатью протезов. Они стимулируют независимое движение в отрасли производства протезов, предлагая информацию и бесплатные проекты с открытым исходным кодом, так что пациенты имеют возможность получить специально разработанный для них протез всего за 50 долларов. 

Другие изобретатели, такие как Лайман Коннор, шагают еще дальше. Имея лишь небольшой парк из четырех настольных 3D-принтеров, Лайман смог изготовить и настроить свои первые серийные протезы. Его конечная цель? Создать настраиваемую полностью бионическую руку, которая будет стоить несравнимо дешевле, чем аналогичные протезы, розничная цена которых составляет десятки тысяч долларов. 

Исследователи из Массачусетского технологического института также выяснили, что 3D-печать является оптимальным методом для изготовления более удобных протезных гнезд.

В дополнение к этому, низкая стоимость изготовления таких протезов, а также свобода, которую приносит возможность проектирования нестандартных конструкций, говорят сами за себя. Срок изготовления протезов с помощью 3D-печати составляет всего две недели, а затем их можно опробовать и обслуживать по гораздо более низкой цене, чем традиционные аналоги. 

Поскольку затраты продолжают снижаться, а свойства материалов улучшаться, роль 3D-печати в сфере здравоохранения, несомненно, будет становится все более значимой.

4. Ортопедические стельки и ортезы

Те же высокие финансовые барьеры, которые наблюдаются в протезировании, характерны и для такой области, как ортезы и стельки. Как и многие другие медицинские устройства, предназначенные для конкретного пациента, ортезы с индивидуальными параметрами часто недоступны из-за их высокой стоимости, и на их изготовление уходят недели или месяцы. 3D-печать решает эту проблему.

Подтверждением является пример Матея и его сына Ника. Ник родился в 2011 году. Осложнения во время преждевременных родов привели к тому, что у него развился церебральный паралич, патология, которой страдают почти двадцать миллионов человек во всем мире. Матей был восхищен тем, насколько решительно его сын стремился преодолеть ограничения, накладываемые его заболеванием, но он столкнулся с выбором между стандартным, готовым ортезом, который был бы неудобным для его сына, или дорогим нестандартным решением, изготовление и доставка которого заняла бы недели или месяцы, и из которого бы ребенок быстро вырос.

Он решил взять дело в свои руки и стал искать новые способы достижения своей цели. Благодаря возможностям, предоставляемым цифровыми технологиями,  в частности 3D-сканированием и 3D-печатью, Матей и физиотерапевты Ника путем экспериментов смогли разработать совершенно новый инновационный рабочий процесс изготовления ортезов на голеностопный сустав.

В результате полученный 3D-печатью ортез с индивидуальными параметрами, обеспечивающий необходимые поддержку, комфорт и коррекцию движений, помог Нику сделать свои первые самостоятельные шаги. Это нестандартное ортопедическое устройство воспроизводило функциональные возможности ортопедических изделий самого высокого класса, при этом стоило в разы меньше и не требовало каких-либо дополнительных настроек.

Профессионалы по всему миру используют 3D-печать как новый метод изготовления стелек и ортезов с учетом индивидуальных особенностей пациентов и клиентов, а также ряда других физиотерапевтических инструментов. В прошлом прохождение курса физиотерапии с использованием индивидуальных физиотерапевтических инструментов несло в себе множество сложностей. Частой была ситуация, когда пациентам приходилось долго ожидать готового изделия, которое при этом не обеспечивало должного комфорта. 3D-печать шаг за шагом меняет этот статус-кво. Данные подтверждают, что стельки и ортезы, напечатанные на 3D-принтере, предлагают более точную посадку и ведут к лучшим терапевтическим результатам, что означает больший комфорт и пользу для пациентов.

5. Биопринтинг, тканевая инженерия, напечатанные на 3D-принтере органы и не только

Обычными способами лечения пациентов с серьезными поражениями органов в настоящее время являются аутотрансплантаты, трансплантация ткани из одной области тела в другую или трансплантация донорского органа. Исследователи в области биопечати и тканевой инженерии надеются вскоре расширить этот список, дополнив его созданием тканей, кровеносных сосудов и органов по требованию.

3D-биопринтинг — это процесс аддитивного производства, при которым на основе материалов, известных как биочернила (комбинация живых клеток и совместимой основы), создаются тканеподобные структуры, которые можно использовать в медицине. Тканевая инженерия объединяет в себе новые технологии, среди которых и биопринтинг, которые позволяют выращивать замещающие ткани и органы в в лабораторных условиях для использования их при лечении травм и заболеваний. 

С помощью высокоточной 3D-печати такие исследователи, как доктор Сэм Пашне-Тала из Шеффилдского университета, открывают для тканевой инженерии новые возможности.

Чтобы направить рост клеток для формирования необходимой ткани, доктор Пашне-Тала выращивает живые клетки на лабораторном каркасе, который предоставляет собой шаблон необходимой формы, размера и геометрии. Например, для создания кровеносного сосуда для пациента с сердечно-сосудистым заболеванием необходима трубчатая структура. Клетки будут размножаться и покрывать каркас, принимая его форму. Затем каркас постепенно разрушается, а живые клетки приобретают форму целевой ткани, которая культивируется в биореакторе — камере, которая содержит выращиваемую ткань и может воспроизводить внутреннюю среду организма, чтобы выращиваемая ткань приобрела механические и биологические характеристики органической ткани.

Полученная 3D-печатью камера биореактора с тканеинженерной миниатюрой аорты внутри. Ткань культивируется в биореакторе для приобретения механических и биологических характеристик органической ткани.

Это позволит ученым создавать конструкции сосудистых трансплантатов для конкретного пациента, расширять возможности хирургической помощи и предоставлять уникальную платформу для тестирования новых сосудистых медицинских устройств, предназначенных для людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, которые в настоящее время являются основной причиной смерти во всем мире. Конечной же целью является создание кровеносных сосудов, которые готовы для имплантации пациентам. Так как в тканевой инженерии используются клетки, взятые у пациента, нуждающегося в лечении, это исключает возможность отторжения со стороны иммунной системы, что является основной проблемой современной трансплантологии. 

3D-печать доказала свою способность разрешать проблемы, существующие при производстве синтетических кровеносных сосудов, в частности, трудности воссоздания требуемой точности формы, размеров и геометрии сосуда. Способность печатных решений четко отражать специфические особенности пациентов стало шагом вперед. 

По словам доктора Пашне-Тала: «[Создание кровеносных сосудов с помощью 3D-печати] дает возможность расширить возможности хирургической помощи и даже создавать конструкции кровеносных сосудов определенного пациента. Без существования высокоточной доступной 3D-печати создание таких форм было бы невозможным».

Мы являемся свидетелями значительных достижений в области разработки биологических материалов, которые можно использовать в 3D-принтерах. Ученые разрабатывают новые гидрогелевые материалы , имеющие такую ​​же консистенцию, что и ткани органов, присутствующих в мозге и легких человека, которые могут использоваться в ряде процессов 3D-печати. Ученые надеются, что им удастся имплантировать их в орган в качестве «каркаса» для роста клеток.

Несмотря на то, что биопечать полностью функциональных внутренних органов, таких как сердце, почки и печень, все еще выглядит футуристично, гибридная 3D-печать с очень высокой скоростью открывает все новые и новые горизонты. 

Ожидается, что рано или поздно создание биологической материи на лабораторных принтерах приведет к получению технологии генерации новых, полностью функциональных полученных 3D-печатью органов. В апреле 2019 года ученые Тель-Авивского университета, используя биологические ткани пациента, напечатали на 3D-принтере первое сердце. Крошечная копия была создана с использованием собственных биологических тканей пациента, что позволило добиться полного соответствия иммунологическому, клеточному, биохимическому и анатомическому профилю пациента.

«На данном этапе напечатанное нами сердце маленькое, размером с сердце кролика, но для человеческих сердец нормального размера требуется та же технология», — говорит профессор Тал Двир.

Перспективы 3D-печати в области медицины

Отличающиеся точностью и ценовой доступностью процессы 3D-печати, в частности настольная стереолитография, демократизируют доступ к технологии, что дает возможность медицинским работникам разрабатывать новые клинические решения и в короткие сроки изготавливать медицинские изделия с индивидуальными характеристиками, а врачам по всему миру — предлагать новые виды терапии.  

По мере совершенствования технологий и материалов 3D-печати, она продолжит расширять индивидуальный подход к лечению и поставлять высокоэффективные медицинские устройства.

Узнать больше о применении 3D-печати в сфере здравоохранения