3D-принтери: революція в медицині

Відео: Російські вчені створили перший в країні 3D принтер по металу

Сідні Кендалл (Sydney Kendall) втратила свою праву руку по лікоть в результаті нещасного випадку на човні, коли їй було всього 6 років. Тепер, коли Сідні виповнилося 13, вона повинна щодня користуватися протезами.

Але ці вироби не можуть зрівнятися по практичності ( "не такі круті», як каже сама Сідні) з новим рожевим пластиковим протезом, віддрукованим на 3D-принтері.

Ця рука була розроблена за спеціальним замовленням особисто для Сідні цієї весни, виконана в бажаному кольорі.

Розробником протеза став студент Університету Вашингтона в Сент-Луїсі, який співпрацював з лікарями лікарні Shriners Hospital. Примітно, що Сідні і її батьки навіть могли спостерігати за процесом друку.

«Щоб зробити кожен палець, потрібно було всього по 7 хвилин. Ми всі були вражені », - говорить Бет Кендалл, мама Сідні.

Коли дівчинка прийшла до школи з новим протезом, її однокласники також були в захваті від дизайну. Їй говорили: «Всім сподобалася твоя нова рука, ти виглядаєш так круто. Ти станеш знаменитістю! ».

Роботизована рука з керованими пальцями допомагає Сідні ловити бейсбольний м`яч, керувати комп`ютерною мишкою, брати чашку з кавою.

Ціна запитання? Близько 200 $. Традиційний роботизований протез в США може коштувати 50000-70000 $, а його доведеться замінювати у міру того, як дитина буде рости.

«Діти зазвичай не отримують роботизовані протези через їх дорожнечу», - зауважила мама Сідні.

Роботизовані протези, видрукувані за індивідуальним замовленням на 3D-принтері - це воістину нова епоха в персоналізованої медицини.

Від протезування зубів до серцевих клапанів - технологія 3D-друку відкриває неймовірні можливості для створення індивідуальних медичних пристроїв. Експерти кажуть, що сьогодні десятки лікарень в США експериментують з 3D-принтерами, а дослідники придумують все більш неймовірні області застосування цієї технології, аж до друку людських органів.

Для того щоб допомогти дослідникам з різних куточків світу ділитися своїми експериментами в області 3D-друку, Національний інститут здоров`я США в червні 2014 року запустив мережу, що дозволяє зареєстрованим користувачам завантажувати креслення таких виробів.

«3D-друк - це потенційна революція в правилах гри в медичних дослідженнях. Тут, в Національному інституті здоров`я, ми бачимо неймовірну віддачу від інвестицій: копійчаний пластик допомагає вченим вирішувати складні технологічні завдання, економлячи мільйони доларів і безцінний час », - каже директор NIH доктор Френсіс Коллінз (Francis Collins).

Один з провідних дослідників в цій області доктор Ентоні Атала (Anthony Atala), директор Інституту регенеративної медицини Уейк Форест (Wake Forest Institute of Regenerative Medicine), краще за всіх розуміє перспективи 3D-принтерів. Він уже створив мініатюрну печінку, яка «живе» в чашці Петрі, перевіряє нові ліки і лежить в основі для створення майбутніх органів.

Що таке 3D-друк?

Уявіть собі струменевий принтер, який замість розпилення чорнила і друку букв видає струмінь бистрозастивающего пластика або металевого гелю, які набувають форму зуба, пальця або суглоба. Такому пристрою потрібна команда від тривимірного МР або КТ-сканера, який передає точні параметри частини тіла, яку потрібно скопіювати. 3D-принтер друкує об`єкт поступово, завдаючи матеріал шар за шаром.

Хоча 3D-принтери існували з 1980-х років, медичне використання цього унікального пристрою стали серйозно обдумувати тільки в останні кілька років. 3D-принтер може створювати набагато більш складні геометричні фігури, ніж традиційна промисловість, якій потрібні були б численні спеціальні заготовки та форми для кожного такого виробу. Тому тепер можна віддрукувати точну копію кістки або суглоба, і коштувати це буде гроші.

Процес економить час і гроші, переносячи виробництво медичних виробів, що називається, до ліжка пацієнта. Точних даних ні у кого немає, але професор біомедичного інжинірингу Скотт Холлістер (Scott Hollister) вважає, що в США лікарні в тій чи іншій формі вже використовують кілька десятків 3D-принтерів.

Зуби, кінцівки і слухові прилади

3D-друк вже широко використовується для виробництва різних частин тіла (зазвичай з пластика і металу), які контактують з тканинами, але не входять в кровотік. Сюди відносять зуби, слухові пристрої, а також протези кінцівок.

«У минулому стоматологічна коронка виготовлялася в зуботехнічній лабораторії, що могло зайняти кілька днів, а пацієнти повинен бути зробити 2-3 візити до дантиста», - розповідає доктор Чак Цанг (Chuck Zhang), викладач індустріального і системного інжинірингу в Технологічному інституті Джорджії (Georgia Tech). Сьогодні дантист може просто зробити 3D-знімок вашого зуба і надрукувати коронку прямо на місці.

Ця технологія дає пацієнтам після ампутації кінцівки, таким як Сідні, альтернативу звичним страшнуватим на вигляд і непрактичним протезів. Студії 3D-друку часто розробляють протези разом з клієнтами, що дозволяє створити твір мистецтва, яке буде не тільки полегшувати життя, а й викликати позитивні емоції у оточуючих.

Доктор Цанг і його колеги з Georgia Tech активно працюють над створенням нових протезів для військових ветеранів. Його команда використовує матеріали для 3D-друку, щоб створювати протезні кишені, які адаптуються до змін рівня рідини в організмі. При необхідності ці кишені стають м`якше або твердіше, щоб не викликати дискомфорт при носінні протеза.

імплантуються пристрої

Пластик і метал для 3D-принтерів вже використовуються і всередині людського тіла. Лікарі дитячої лікарні Mott Children&rsquo-s Hospital Мічиганського університету з 2012 року врятували життя двох дітей, імплантованих їм видрукувані на принтері дихальні шляхи.

У цих малюків була рідкісна вроджена аномалія - трахеобронхомаляція. Без лікування їх слабкі дихальні шляхи спадають, і діти померли б. Єдине лікування - це трахеостомия і підключення до апарату штучної вентиляції легенів в надії, що через кілька років їх дихальні шляхи в достатній мірі зміцніють.

Від цього кошмару дітей врятувала нова технологія. У 17-місячного Гарретта Петерсона (Garrett Peterson) не спостерігалося жодних ознак того, що дихальні шляхи на ШВЛ зміцніють і дозволять відключити дитини. Лікарі з Юти, де його лікували, зробили все, що можливо.

«Все в світі мало бути прекрасно. Гарретт не міг плакати, тому що він синів. Ми повинні були підтримувати його весь час в щасливому настрої, але це було нереально - вічно тримати його на апараті », - каже батько дитини.

Петерсон прочитали статтю про те, як дитині зі схожою проблемою університетські лікарі в 2012 році імплантували надруковану на 3D-принтері трахею. Вони вирішили не зволікати, і звернулися за допомогою до них.

Грунтуючись на КТ-знімках дихальних шляхів Гарретта, хірург доктор Грін (Green) і професор біомедичного інжинірингу Холлістер розробили і надрукували персоналізовану дихальну трубку, яка дозволила б дитині дихати самостійно. Згодом його тіло повинно було «увібрати» цей протез, і дихальні шляхи залишалися б відкритими самі по собі.

Згодом у лікарні Mott Children&rsquo-s Hospital вперше провели цю фантастичну процедуру.

«Я думаю, це був прекрасний приклад використання 3D-принтера в ситуації життя або смерті», - сказав Холлістер.

Вартість трахеостомии і подальшого підтримання таких дітей на штучній вентиляції складає близько 1 мільйона доларів за пацієнта. Розробка, друк та операція по установці дихальної трубки, за словами Холлістері, обійдеться в 200000-300000 $.

Хірурги імплантували пацієнтам та інші 3D-пристрої. Черепні заплатки для заповнення порожнин після операцій на мозку, наприклад. Черепні пластини для заміни великих фрагментів черепної кістки, які пацієнти втрачають в результаті травм або раку. Клініка Мейо (Mayo Clinic) і деякі інші лікувальні установи вже пропонують заміну суглоба на протез, надрукований за допомогою 3D-принтера. Такі персоналізовані суглоби мінімізують обсяг втручання і скорочують час перебування в стаціонарі.

FDA на сьогоднішній день володіє двома лабораторіями, які вивчають можливості 3D-принтерів для виробництва медичних пристроїв.

живі тканини

Крім металу і пластика лікарі і вчені по всій країні працюють над заправкою 3D-принтерів живими людськими клітинами. Це дало початок друкування живої тканини, або біопрінтінгу (bioprinting). Головна мета таких робіт - навчитися друкувати повноцінні живі органи для трансплантації, використовуючи для повної сумісності власні клітини пацієнтів.

Деякі експерти впевнені, що за кілька десятиліть це зробить революцію в трансплантології. Пацієнти не будуть вмирати тисячами, не дочекавшись донорського органу. Піде в минулому таке жахливе явище, як відторгнення трансплантата.

Доктор Атала з Університету Уейк Форест каже, що дослідники вже сьогодні можуть використовувати створену ним мініатюрну печінку для випробувань ліків на гепатотоксичність. Вчені очікують, що цей метод буде набагато більш точним і гуманним, ніж нинішні випробування на тваринах і пацієнтах-добровольцях.

Біомедичні інженери використовують кілька методів для друку органів. Принтер створює пластиковий каркас, який потім може бути покритий людськими клітинами. Або принтер може вводити живі клітини в колагеновий гель, який утримує структури органу разом. Після друку клітини повинні рости на своєму каркасі протягом декількох тижнів у лабораторії, перш ніж орган зможе нормально функціонувати.

Після установки органу на місце каркас прибирають, і залишається тільки жива людська тканина, ідеально сумісна з організмом реципієнта. Якщо орган пересаджують дитині, то він зможе рости разом з ним, крім необхідності в повторних пересадках.

Біоінженери з Університету Корнелла (Cornell University) і університету Мічігану (University of Michigan) найбільш інтенсивно працюють над цією концепцією. Багато лабораторій давно друкують органи для тестування ліків, а виробництво латочок для пошкоджених органів - це справа недалекого майбутнього.

На думку професора Холістер, вже незабаром медичні 3D-принтери з`являться абсолютно в кожному лікувальному закладі, змінивши до невпізнання обличчя охорони здоров`я.