ОТ РЕКВИЗИТА ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДО СПАСЕНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ ЖИЗНЕЙ
Когда речь идет о 3D-принтерах, многие, пусть и не все, легко представляют, как на них печатаются неживые предметы — от мелких деталей до полномасштабных домов. Но мало кто сразу может понять, как эта технология применима в медицине, которая направлена на благо и здоровье человека.
И первый вариант ответа лежит на поверхности — трехмерная печать используется медициной, когда дело касается производства все тех же предметов. Например, в 2014 г. на 3D-принтере распечатали человеческий организм. Точнее все его части в очень натуралистичном виде. Ученые из университета Монаша (Австралия) объяснили, что часто у студентов-медиков нет возможности заглянуть внутрь человеческого тела, поэтому они не могут изучить анатомию настолько хорошо, насколько ее обязаны знать будущие врачи. Чтобы добиться высокой точности каждой детали, ученые использовали методы поверхностного лазерного сканирования и компьютерной томографии. А затем изготавливали части тела из гипса или пластика на 3D-принтере.
В лечении трехмерная печать актуальна там, где нужен индивидуальный подход. Так, в 2015 г. одна из российских компаний заявила, что разрабатывает 3D-пластиковые ортезы и фиксаторы, которые необходимы при переломах и заболеваниях суставов. Инициатива оказалась успешной, так что изделия поступили на рынок и составили достойную конкуренцию уже существующим аналогам из-за более низкой цены. На сегодняшний день печать такого ортеза занимает от 15 до 90 минут.
Еще один интересный вариант применения трехмерной печати был продемонстрирован в 2016 г. Чтобы сделать сложнейшую операцию, американские врачи распечатали 3D-модель почки пациентки. Раковая опухоль находилась в опасном месте — рядом с мочеточником и жизненно важными артериями и венами. Благодаря точной модели органа хирурги смогли разработать план по удалению злокачественного образования и во время операции также обращались к 3D-почке. Такой высокотехнологичный подход помог врачам спасти жизнь пациентке.
Сейчас, когда весь мир занят борьбой с COVID-19, трехмерная печать также вносит свой посильный вклад. В условиях дефицита индивидуальных средств защиты, несколько стран заявили о производстве респираторов на 3D-принтерах. А в Италии владелец фирмы, предоставляющей услуги 3D-печати, узнав о том, что в больницах не хватает клапанов Вентури для аппаратов ИВЛ, оперативно начал их изготовление. И призвал к тем же действиям своих коллег.
САМАЯ УСПЕШНАЯ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Высокоточный индивидуальный подход и возможность печати из многих видов материалов делают 3D-принтеры прекрасным инструментом для производства протезов. Технология успешно применяется в стоматологии. Уже сегодня врачи предлагают пациентам напечатать отдельные зубы, мосты и цельные съемные протезы. На рынке существует немалое количество профильных стоматологических принтеров. При этом исследователи не останавливаются на достигнутом и придумывают новые усовершенствования технологии. Так, в 2018 г. американские ученые разработали 3D-печатный зубной протез, который самостоятельно дезинфицирует десны.
Интересно, что часто цена на 3D-печатные протезы ниже, чем на обычные. Например, это касается протезирования конечностей. Так, Youbionic заявляла, что ее изделия стоят в 40 раз дешевле представленных на рынке аналогов. Сейчас компания предлагает не только готовые протезы, но и разработку индивидуального проекта, с которым потом можно будет обратиться в любую фирму, которая занимается 3D-печатью.
Компания Glaze Prosthetics делает ставку на максимальную персонализацию. Это касается не только учета индивидуальных анатомических особенностей клиента, но и его пожеланий ко внешнему виду протеза. Девиз фирмы: «У воображения нет границ». Дизайн изделий может быть каким угодно, даже с имитацией настоящей татуировки.
3D-протезирование не ограничивается зубами и конечностями. Например, еще в 2014-м при помощи трехмерной печати врачам удалось изготовить импланты, которые помогли восстановить лицо пострадавшего в автомобильной аварии. В том же году медики пересадили 3D-печатный череп 22-летней девушке. Пациентка страдала из-за толщины родной кости (5 сантиметров при норме в 1,5). Такое отклонение сказывалось на мимике и в будущем грозило потерей некоторых функций головного мозга. 23-часовая операция прошла успешно: девушка восстановилась и вернулась к обычной жизни.
Исследования в этом направлении ведутся активно и дальше. Например, американские ученые работают над 3D-печатными биоразлагаемыми имплантами. Сейчас при повреждении костной ткани используются металлические конструкции, которые часто отторгаются организмом или подвергаются коррозии. Кроме того, потом их нужно извлекать. По словам ученых, инновационная полимерная конструкция будет создавать каркас для растущей кости, постепенно растворяясь. А значит, операция по извлечению протеза не потребуется.
МЕЧТА ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
До этого мы говорили о печати из искусственных материалов (металла, пластика, полимера). А как же печатаются живые ткани? 3D-биопринтинг — это технология создания объемных моделей, при которой сохраняются жизнеспособность и функции клеток. Первый патент в этой сфере был подан еще в 2003 г. в США.
Чего же добились за это время исследователи? Во-первых, существенно улучшилась скорость печати. Во-вторых, появилось достаточное разнообразие способов биопринтинга. В основном ученые пробуют «изготавливать» относительно твердые покровы — например, стенки почек, печени, сердца. Но в 2018 г. появились сообщения о первых успехах 3D-печати мягких тканей, таких как структура мозга или легких. Для того чтобы нижний слой не проседал под весом следующих, исследователи из Великобритании использовали метод «быстрой заморозки» сухим льдом.
И наконец, в-третьих, исследования ведутся во многих странах и по самым различным направлениям. В 2016 г. российские ученые успешно напечатали щитовидную железу и пересадили ее мыши. А позже заявили о положительном результате: орган прижился. В следующем году биологи из США напечатали на 3D-принтере яичники, пересадили их лабораторным мышам — и те принесли потомство.
Из человеческих клеток в 2018 г. напечатали роговицу, а в прошлом — миниатюрную модель сердца с кровеносными сосудами. Интересное исследование пару месяцев назад представили канадские медики. Они продемонстрировали 3D-принтер для лечения тяжелых ожогов. Фибриновые листы наносятся сразу на поврежденный участок. Причем он может быть неровным, любой формы и размера.
За 17 лет существования 3D-биопринтинга наметились некоторые успехи в экспериментах, но триумфальными пока их назвать сложно. И мечты исследователей о том, что проблема нехватки органов для трансплантации будет вскоре решена, пока что остаются мечтами.
О БЛИЖАЙШИХ ПЕРСПЕКТИВАХ И ОЧЕНЬ ДАЛЕКОМ БУДУЩЕМ
Может показаться, будто пока что 3D-биопринтинг не имеет значительных результатов. Но маленькие победы все же есть. Например, в 2018 г. китайские медики задались целью помочь детям с микротией — это врожденное недоразвитие ушной раковины. Пациентам с таким диагнозом чаще всего устанавливают импланты или наружные протезы. В этот раз врачи решили напечатать ушные раковины. Они выбрали пять детей с односторонней микротией, так что здоровые уши определили форму печатных, а материалом стали собственные клетки пациентов.
Сейчас 3D-биопринтинг имеет реальные перспективы стать серьезным подспорьем в медицинских исследованиях. Так, в 2015 г. ученые напечатали копию белковых цепочек, чтобы изучить, как облегчить процесс химиотерапии для онкобольных. В 2018 г. специально для экспериментов исследователи создали 3D-модель сердечного желудочка. На ней они изучали последствия инфаркта миокарда и влияние отдельных химических веществ. В прошлом году сообщалось о 3D-модели нервной системы на основе стволовых клеток. Ее ученые напечатали для изучения сложных форм поведения и процессов формирования нейродегенеративных заболеваний в головном мозге, что достаточно сложно сделать в обычных условиях.
К чему могут привести подобные опыты? Во-первых, улучшатся качество и точность некоторых медицинских исследований. Во-вторых, это приведет к сокращению количества экспериментов на животных. Производители лекарств и косметики, биологические и химические лаборатории смогут использовать для тестов 3D-образцы человеческой ткани и органов.
Это ближайшая перспектива. А что же дальше? Вспомним девиз Glaze Prosthetics и представим, что наше воображение и возможности границ не имеют. Конечно, главная мечта ученых, которые занимаются 3D-биопринтингом, — это решение проблемы нехватки материалов для трансплантаций. Ведь на сегодняшний день статистика смертей тех, кто стоит в очереди на пересадку органов, весьма неутешительна. Кстати,самые смелые исследователи утверждают, что 3D-органы будут даже лучше настоящих.
Уже сейчас печать еды и лекарств — не редкость. Поэтому несложно представить и то, что в будущем каждый сможет использовать домашний 3D-принтер для соблюдения индивидуальной диеты и расчета точной дозировки назначенных медикаментов.
А особо дерзкие фантазеры не ограничиваются жизнью на Земле. Так, польская дизайнер распечатала на обычном 3D-принтере варианты носов, которые являются наиболее подходящими для условий марсианской атмосферы. По словам Марты Флисиковской, раз уже сейчас делают 3D-уши для трансплантации, то почему бы не вырастить носы для покорителей Красной планеты?
Да что там носы, когда инженер NASA Адам Штельцнер заявил, что другие планеты будут колонизировать люди, напечатанные на 3D-принтерах! По его мнению, это куда более реально, чем космическое путешествие, ведь не требует перемещения быстрее скорости света и затрат бесконечного количества энергии.
