Технологии дали толчок развитию многих направлений медицины, позволяя, в частности, более точно понимать симптомы и лечение пациента, а также повышая эффективность работы больниц и клиник. Появление технологии 3D-печати, в частности, накладывает свой отпечаток на такие специальности, как ортопедия, педиатрия, радиология и онкология, а также на кардиоторакальную и сосудистую хирургию.

Сегодня врачи, больницы и исследователи по всему миру используют 3D-печать для:

• Предоперационного планирования и персонализированной хирургии
• Создания медицинских приборов и хирургических инструментов
• Изготовления пресс-форм, протезов и индивидуальных имплантатов
• Цифровой 3D-стоматологии и изготовления лекарств.

Ниже мы приводим несколько примеров подобного использования трехмерной печати в здравоохранении.

1. Предоперационное планирование

3D-печать позволяет специалистам создавать модели на основе снимков МРТ и КТ, чтобы помочь хирургам лучше подготовиться к операциям.

В 2016 году у ребенка из Северной Ирландии были две незажившие после повреждения кости предплечья. Ребенок не мог повернуть руку более чем на 50% и страдал от сильной боли. Компьютерная томография и рентгеновские снимки показали деформированные кости, и для лечения потребовалась остеотомия – четырехчасовая инвазивная операция, в ходе которой хирург изменяет форму костей, чтобы улучшить состояние. Однако хирург напечатал 3D-модель, которая изменила диагноз, оперативное вмешательство и выздоровление пациента:

• Именно плотные структуры между костями, а не форма костей, ограничивали способность ребенка к вращению.
• Операция была проведена менее чем за 30 минут, вместо четырех часов.
• Через четыре недели после вмешательства пациент смог выполнять движения на 90% диапазона рук.
• Время восстановления, боль после операции и рубцы значительно уменьшились.

Подобная 3D-печать меняет предоперационное планирование, что приводит к сокращению времени пребывания в операционной, улучшению результатов операции для пациентов, более быстрому восстановлению после операции и снижению расходов больниц.

2. Персонализированная хирургия

Благодаря снижению стоимости 3D-принтеров и повышению доступности медицинского программного обеспечения типа CAD/CAM, все больше больниц создают анатомические модели, напечатанные на 3D-принтере. Процесс включает в себя несколько этапов:

• МРТ- и КТ-сканы обрабатываются на этапе, известном как сегментация.
• Моделируется каждый орган и тип части тела.
• Модели переводятся в формат файлов STL, подготавливаются к печати и отправляются на 3D-принтер.

Детская больница Rady создала собственную лабораторию для печати 3D-моделей, включая модели, имитирующие человеческие ткани, такие как дыхательные пути, сердце и кости. В 2019 году в больницу поступил 7-летний ребенок, родившийся с одним функциональным сердечным желудочком (вместо нормальных двух). Медики создали 3D-модель, в которой подробно описаны все вены, артерии и клапаны сердца ребенка, что позволило хирургам определить место, где необходимо перенаправить кровоток.

Анатомические модели, напечатанные на 3D-принтере, позволяют хирургам эффективно планировать операцию и разрабатывать лучшие решения для лечения, сократить продолжительность операции, а также улучшить исследования и обучение студентов-медиков.

3. Создание медицинских устройств

Для того чтобы медицинские приборы служили своей цели, они должны отвечать нескольким требованиям:

• Они должны быть идеально сбалансированы по размеру и весу.
• Они должны соответствовать конкретным формам человеческого тела.
• Они должны быть функциональными и должны проходить специальные испытания на выносливость.

Производство медицинских изделий, отвечающих этим критериям, традиционно требовало много времени. Альтернативой, которую нашли производители медицинского оборудования, стала стереолитография – процесс, в котором движущийся лазерный луч, управляемый компьютером, создает требуемую структуру слой за слоем. Таким образом, 3D-печать была использована для создания прототипа ингалятора, включая необходимые приспособления и оснастку, с целью сократить производство с одной-двух недель до одного-двух дней и снизить стоимость на 90%.

4. Улучшение дизайна хирургических инструментов

Индивидуальные хирургические инструменты, изготовленные методом 3D-печати, такие как рукоятки скальпелей, щипцы или зажимы, помогают хирургам лучше работать в операционной, сокращают время процедуры и способствуют лучшему результату хирургического вмешательства для пациентов.

Изготовленные из таких материалов, как нержавеющая сталь, нейлон, титановые сплавы или никель, индивидуальные хирургические инструменты хорошо поддаются стерилизации. Немецкий производитель медицинского оборудования компания Endocon использовала металлическую 3D-печать для создания альтернативного хирургического инструмента для удаления чашки тазобедренного сустава. Традиционно это 30-минутная процедура, выполняемая с помощью долота, но долото иногда может повредить ткани и кости, в результате чего образуется неровная поверхность, что затрудняет установку нового имплантата тазобедренного сустава.

Напечатанные на 3D-принтере лезвия Endocon из сплава нержавеющей стали, названные endoCupcut, позволили выполнить точную резку вдоль вертлужной чашки за три минуты и снизили процент отказов при процедуре, сократив при этом время и стоимость производства.

5. Создание протезов

В то время как простые протезы доступны в заранее определенных размерах, индивидуальные бионические протезы стоят тысячи долларов. Такая ситуация затрагивает многих детей, которые перерастают свои протезы и нуждаются в индивидуальных запасных частях, которые выпускаются немногими производителями.

В 2016 году разработчики Лайман Коннор и Эдуардо Сальседо создали протез Lyman’s Mano-matic, чтобы обеспечить бионическими протезами тех, кто в них нуждается и не может себе их позволить. Сегодня во всем мире разработчики протезов могут использовать 3D-печать для преодоления финансовых препятствий и временных ограничений, связанных с этим процессом. Стоимость этого метода производства значительно ниже традиционных методов, а протезы готовы примерно через две недели, что делает 3D-печать жизнеспособным решением для создания индивидуальных бионических устройств, повторяющих параметры человеческой конечности.

6. 3D-печать имплантатов

Металлическая 3D-печать позволяет разработчикам медицинского оборудования производить имплантаты, которые лучше работают, лучше подходят и служат дольше, для коленей, позвоночника, черепа или бедер.

Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting, EBM) – это технология, которая плавит металлический порошок слой за слоем с помощью электронного луча, создавая таким образом высокоточные детали. Такие ортопедические имплантаты имеют губчатую структуру, имитирующую обычную костную ткань, что обеспечивает более высокий процент остеоинтеграции – врастания кости в металлический имплантат.

В 2016 году в Третью больницу Пекинского университета поступил пациент, страдавший от опухоли, которая разрушила пять его позвонков. Опухоль, вызванная редкой формой злокачественной хордомы*, могла быть удалена только хирургическим путем. Однако после удаления опухоли заживление дефектов костей увеличенного размера могло быть неполным и неправильным.

Чтобы решить эту проблему, исследователи сконструировали пять искусственных позвонков, аналогичных строению тела пациента, используя технологию EBM. Протез позволил повысить стабильность позвоночника, уменьшить боль и увеличить долговечность устройства, что позволило пациенту ходить без брекетов через два месяца после хирургического вмешательства.

А ученые из университета Базеля изготовили из полимерного материала PEEK трансплантат, который способен преодолеть биоинертность своего материала благодаря пористости, которая может быть подобрана для усиления клеточного восстановления. С помощью анализа методом конечных элементов ученые также обнаружили, что их устройства хорошо поддаются адаптации, что означает, что в будущем они могут быть изменены для удовлетворения потребностей конкретных пациентов.

Индивидуальные 3D-печатные имплантаты представляют собой гибкое решение для сложных ортопедических случаев и могут создать больше возможностей для лечения в будущем.

7. Цифровая 3D-стоматология

В стоматологической отрасли 3D-печать используется для изготовления зубных протезов, хирургических направляющих, моделей мостов и, в первую очередь, для прозрачных выравнивателей – невидимых устройств, выпрямляющих зубы.

По сравнению с металлическими брекетами прозрачные выравниватели фактически невидимы и могут быть сняты, когда пользователям нужно почистить зубы или поесть. Традиционный метод производства прозрачных выравнивателей представляет собой комбинацию ручного и фрезерного процессов, требующих времени и усилий. Метод 3D-печати ускоряет процесс, поскольку индивидуальные формы для прозрачных выравнивателей могут быть изготовлены непосредственно на основе цифровых сканов пациентов.

В поисках экономически эффективных решений одна стоматологическая компания усовершенствовала простой процесс изготовления форм для прозрачных выравнивателей:

• Пациенты снимают слепки зубов с помощью набора для снятия слепков в домашних условиях или делают снимок полости рта в специализированном центре.
• Оттиски и снимки проверяются стоматологом, который составляет план лечения.
• Затем компания отправляет клиентам напечатанные с помощью 3D-принтера выравниватели.

Таким образом, 3D-печать является экономически эффективным методом производства прозрачных выравнивателей, поскольку установка и инструменты не требуют больших затрат, а их изготовление на заказ, как уже было доказано, является простой.

8. Упорядочение применения лекарств

3D-печать также может упростить прием лекарств с помощью изготовленных на 3D-принтере таблеток. Концепция полипилюли, разработанная для пациентов, страдающих несколькими заболеваниями, содержит несколько различных отделений для лекарств и два отдельных профиля выпуска.

Пациенты, страдающие несколькими заболеваниями, часто принимают лекарства в разные часы в течение дня, и это может сбивать с толку при составлении расписания. Изготовленная при помощи 3D-принтера таблетка управляет как дозировкой лекарств, так и потенциальными взаимодействиями между препаратами, лечащими различные заболевания, что устраняет необходимость в составлении расписания и тщательном контроле.

Применение одной индивидуальной таблетки для лечения нескольких заболеваний имеет множество преимуществ:

• Повышение приверженности пациента предписанному лечению.
• Индивидуализированные лекарства или комбинации лекарств.
• Снижение производственных затрат благодаря возможности лечить больше заболеваний одновременно.
• Большая доступность в развивающихся странах недорогих и эффективных лекарств.

9. 3D-печать тканей

Это относительно новая сфера применения 3D-печати, позволяющая печать человеческие ткани и даже органы, которые можно использовать при имплантации и исследованиях.

Например, ученые из Тель-Авивского университета, используя образец ткани пациента вместе с его внеклеточным матриксом, успешно изготовили с помощью 3D-принтера “жизнеспособную” опухоль глиобластомы – самого смертоносного вида рака мозга – для того, чтобы узнать, как ее убить.

Опухоль, сделанная из материала, напоминающего мозг, и искусственных кровеносных сосудов, вероятно, является наиболее реалистичным приближением глиобластомы, с которым могут работать врачи. Эта технология может привести к созданию нового поколения высокоэффективных лекарств от рака, а также персонализированных методов лечения пациентов с глиобластомой, которые в настоящее время имеют мрачный прогноз.

По мере снижения цен на высокопроизводительные 3D-принтеры все больше медицинских специалистов используют 3D-печать для производства в короткие сроки экономически эффективных специализированных устройств, для проектирования анатомических моделей с учетом потребностей пациентов, для поиска революционных клинических решений и создания новых методов лечения, адаптированных к потребностям пациентов.

Достижения в технологии 3D-печати предоставляют возможность более индивидуализированного медицинского ухода и создания высокоточных медицинских инструментов. В то же время ожидается, что 3D-печать окажет влияние и на другие медицинские специальности, такие как офтальмология, регенеративная медицина и биопечать.

* Хордома — редко встречающееся новообразование, считается, что она происходит из остатков нотохорда (эмбрионального предшественника скелета), но достоверных доказательств этого пока что не обнаружено. Опухоль локализуется преимущественно в крестцово-копчиковом сегменте позвоночника или же в затылочно-базилярной области черепа.

По материалам MobiHealth News, Photonics.com, 3d.formlabs.com, Axial3D, Futurism.

Источник