Медицина стала одной из первых отраслей, которая решила использовать потенциал 3D-принтеров в практических целях. Двигаясь от простого к сложному, ведущие медики подбирали способы внедрения аддитивной печати во врачебное дело.
Создатели 3D-принтеров также не стояли на месте, разрабатывая материалы, идеально подходящие для печати зубных имплантатов, протезов, прототипов человеческих органов и даже нашли способ печати биологическим материалом.
Первый имплантат был напечатан в 2012 году корпорацией LayerWise. Тогда же врачи провели первую в мире операцию по вживлению титановой нижней челюсти, которая была напечатана на 3D-принтере.
В наше время трехмерная печать используется практически во всех отраслях медицины: стоматологии, протезировании, хирургии и микрохирургии глаза, гинекологии и многих других.
3D-моделирование в медицине позволяет создавать объемные модели. Технология нашла применение в эстетической стоматологии, онкологии, отоларингологии и других сферах.
Рис. 2.Сердце, напечатанное на 3 d принтере
Трехмерные модели, напечатанные на основе аддитивных технологий вкупе с компьютерной томографией, стали одним из незаменимых достижений в области медицины. Трехмерные снимки больных органов трансформируются в картинку с высоким качеством, а затем преобразуются в 3D-модели.
Моделирование дает возможность максимально качественно подготовиться к проведению операции и изучить особенности болезни. Например, при подготовке к операции по удалению опухоли врачи тщательно изучают размеры, форму, очертания новообразования в трехмерном измерении, чтобы понять, какую тактику выбрать во время операции.
Подготовка к операциям с помощью 3D-моделирования проводится по следующему алгоритму:
1. сканирование нужного органа/опухоли;
2. создание программой трехмерного изображения;
3. печать прототипа;
4. изучение модели;
5. выбор методики лечения или операции.
Таким образом, современные 3D-принтеры помогают врачам надлежащим образом подготовиться к проведению операции. Разумеется, технология применяется и в других сферах медицины, но мы решили сделать акцент именно на онкологии, чтобы продемонстрировать, какую неоценимую помощь могут оказать 3D-принтеры в спасении жизней.
Современные технологии дали возможность осуществлять трехмерную печать клеток, биосовместимых материалов и их вспомогательных компонентов с целью дальнейшего создания полнофункциональных живых тканей на их основе. Технология получила название 3D-биопечати, которая нашла свое применение в регенеративной медицине и существенно упростила и удешевила процесс трансплантации жизненно важных тканей и органов.Рис.3
Биоинженер Томас Боланд в Университете Клемсона в Южной Каролине (США) самостоятельно переделал принтеры Lexmark и HP, чтобы попробовать напечатать фрагменты ДНК человека. Исследование показало, что размер клеток ДНК аналогичен размерам капли стандартных чернил и составляет около 10 микрон. Дальнейшие эксперименты показали, что 90 % клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати. В 2003 году ученый запатентовал биопечать, первая успешная печать произошла в 2006 году.
Первый удачный эксперимент по трехмерной печати человеческих органов произошел в 2006 году. Ученые из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine спроектировали и распечатали семь мочевых пузырей для пациентов-добровольцев.
Рис.4
Биоинженер Томас Боланд в Университете Клемсона в Южной Каролине (США) самостоятельно переделал принтеры Lexmark и HP, чтобы попробовать напечатать фрагменты ДНК человека. Исследование показало, что размер клеток ДНК аналогичен размерам капли стандартных чернил и составляет около 10 микрон. Дальнейшие эксперименты показали, что 90 % клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати. В 2003 году ученый запатентовал биопечать, первая успешная печать произошла в 2006 году.
Первый удачный эксперимент по трехмерной печати человеческих органов произошел в 2006 году. Ученые из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine спроектировали и распечатали семь мочевых пузырей для пациентов-добровольцев.
Ученые-биоинженеры взяли за основу стволовые клетки пациентов, с помощью которых и были напечатаны будущие органы. Образцы ткани доноров, хранящиеся в специальной герметичной камере, экструдером наносили поверх 3D-макета мочевого пузыря, подогретого до естественной температуры тела человека. Спустя восемь недель в ходе интенсивного роста клетки начали делиться и воссоздали мочевой пузырь.
КАК СОЗДАЮТ ИЗДЕЛИЯ
За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком.
Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.
Как работает 3D-чертеж
Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.
Ученые-биоинженеры взяли за основу стволовые клетки пациентов, с помощью которых и были напечатаны будущие органы. Образцы ткани доноров, хранящиеся в специальной герметичной камере, экструдером наносили поверх 3D-макета мочевого пузыря, подогретого до естественной температуры тела человека.
Результаты: спустя восемь недель в ходе интенсивного роста клетки начали делиться и воссоздали мочевой пузырь.