Скелет в 3D: как напечатать кости

Владимир Комлев Forbes Contributor
REUTERS/Jason Lee
Новые технологии позволяют изготовить аналог костной ткани человека за несколько часов

Важнейшей задачей современной медицины является увеличение продолжительности жизни людей и улучшение ее качества. Поэтому разрабатываются новые подходы к лечению пациентов, внедряются новые технологии и новые материалы.

Одной из наиболее распространенных медицинских проблем является поражение костных тканей скелета, связанное с их патологической деградацией (остеопорозом), воспалительными процессами и онкологией. В развитых странах число пациентов с хроническими заболеваниями такого рода достигает около 50% населения старше 50 лет. А прирост населения и увеличение продолжительности жизни приведут к тому, что к 2020 году число пожилых людей удвоится.

Лечение заболеваний костных тканей, особенно злокачественных опухолей, часто связано с хирургическим вмешательством. И тут серьезной проблемой становится послеоперационное восстановление нарушенных функций — как отдельных органов частей скелета, так и всего опорно-двигательного аппарата.

Поэтому очень нужны новые материалы медицинского назначения, предназначенные для контакта со средой живого организма. Еще более востребованы специализированные биосовместимые изделия для нового направления — регенеративной медицины, связанной с разработкой и применением биоискусственных тканей.

Ежегодный бюджет медицинских центров в Европе, США и Японии, занимающихся проведением фундаментально-прикладных исследований в области тканевой инженерии, составляет сотни миллионов долларов. В России, к сожалению, производство функционально-ориентированных биоматериалов нового поколения находится все еще в зачаточном состоянии, а промышленные технологии изготовления из них инженерных конструкций для регенерации различных костных дефектов практически отсутствуют.

На основании накопленного клинического опыта, биологических знаний и опыта работы с биоматериалами были сформулированы основные общие требования к биоматериалам. А именно, они должны:

• соответствовать костной ткани по минеральному составу и механическим характеристикам;

• иметь кинетику биодеградации (растворения), коррелирующую с кинетикой образования костной ткани de novo (для биодеградируемых материалов);

• быть остеокондуктивными, а в идеальном случае — и остеоиндуктивным, т.е. формирующими биологические стимулы для остеогенеза, и быть пригодным для комбинирования с биологически активными компонентами, усиливающими регенеративный потенциал имплантируемой системы.

Требованию биологической совместимости и остеокондуктивности удовлетворяют материалы на основе синтетических форм фосфатов кальция — биокерамика, а также различные природные и синтетические полимеры.

Для изготовления персонализированных трехмерных структур заданной архитектуры из таких материалов в мире все чаще используют технологии аддитивного производства (в частности, технологии 3D-печати), основанные не на удалении материала из заготовки (точение, фрезировка) или изменении ее формы (деформация, штамповка), а на постепенном наращивании (добавлении) материала в заданной области пространства. Эти технологии базируются на послойном формировании объемных изделий по их трёхмерным компьютерным образам.

Методология аддитивного производства достаточно проста и включает в себя следующие стадии:

1) создание компьютерной модели требуемого материального объекта;

2) разделение компьютерной модели на слои;

3) последовательное, слой за слоем, изготовление твердого объекта требуемых размеров, формы и внутренней структуры с применением различных физико-химических методов (например, лазерной стереолитографии, селективного лазерного спекания и т.д.).

Модель может быть сконструирована при помощи различных программ трехмерного проектирования с последующим преобразованием полученных файлов в форматы, используемые для формирования изделия. Кроме того, полученные файлы могут передаваться непосредственно в управляющий компьютер системы быстрого прототипирования.

Преимущество быстрого прототипирования становится особенно очевидным при его использовании вместе с современными методами медицинской диагностики. Трехмерная модель органа или фрагмента ткани реального пациента может быть получена на рентгеновском томографе. Затем можно оперативно изготовить ее точную копию или копию, пригодную для имплантации без дополнительной подгонки. Можно дополнительно ввести или убрать определенные детали, создать требуемую архитектуру.

Весь процесс от начала получения томограммы до окончания изготовления имплантата займет всего несколько часов.

В последние годы, в связи с «взрывным» развитием материально-технической базы трехмерной печати и стремительно возросшим количеством исследовательских групп, число работ и многообещающих результатов в области создания материалов для реальных технологий аддитивного производства индивидуальных имплантатов на основе керамики и полимеров резко возросло. Можно надеяться, что уже скоро новые материалы и технология трехмерной печати позволят решить многие проблемы в области ортопедии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, нейрохирургии и онкологии.

Новости партнеров