Кости, напечанные на 3D принтере

Самым лучшем вариантом воспроизведения кости является печать на 3D принтере. 3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели.

Особо стоит отметить бурно развивающуюся в последнее время трехмерную печать для создания искусственных костей. Учёные с факультета инжиниринга тканей из клиники при университете Токио вкупе с венчурной компанией Next 21 создали необычное предприятие — BoneFactory («Фабрика костей»).

Рис. 3 Применение искусственной костной структуры

Искусственная костная структура, отпечатанная на трёхмерном струйном принтере (она — белого цвета), приложена к модели черепа пациента, «выкроенной» по томограмме. В ходе первых испытаний технологии, которые шли полтора последних года, учёные пересадили различные искусственные костные структуры одной собаке и десяти людям (собаке породы корги пересадили часть черепа, людям же проводили реконструктивную хирургию лица).

В чём же заключается суть новой технологии? Создание искусственной кости начинается с построения компьютером на основе рентгеновских и томографических снимков пациента 3D-модели будущей кости. Затем компьютерная модель разрезается на большое количество слоёв, каждый из которых (по очереди) пересылается на специальный струйный принтер. «Бумагой» для такого принтера служит слой порошка альфа-трикальций фосфата (б-ТКФ), а «чернилами» — связующее в виде полимера на водной основе, которое затвердевает при контакте с б-ТКФ.

Периодическое нанесение слоёв порошка и связующего в виде рисунка позволяет воспроизвести кость любой желаемой формы и размера с точностью в один миллиметр. Получается прочная, лёгкая и пористая «напечатанная» кость, которая по своим свойствам очень схожа с природной костной тканью. В результате после имплантации искусственная кость более-менее выполняет свою работу и, что важно, постепенно заменяется здоровой человеческой костной тканью, которая прорастает сквозь имплантат. То, что напечатанные кости приживаются и весьма эффективно, было доказано в ходе нескольких операций на людях в возрасте от 18 до 54 лет (испытания проводились с марта 2006;го по июль 2007 года).

В медицине такой принтер применяют:

Разработки университета Миссури, позволяющие наносить на специальный био-гель сгустки клеток заданного типа. Развитие данной технологии — выращивание полноценных органов.

В медицине, при протезировании и производстве имплантатов (фрагменты скелета, черепа, костей, хрящевые ткани). Ведутся эксперименты по печати донорских органов Технология позволяет печатать «кости», не уступающие по прочности реальным, но легче по весу.

Ученым из Вашингтонского университета (Washington State University) с помощью 3D-принтера удалось создать материал, похожий на костную ткань. По их мнению, его можно использовать для восстановления поврежденных костей любой формы и сложности.

Как сообщает руководитель исследования Сасмита Боуз, данный материал можно добавить к пострадавшим костям, где он будет служить каркасом, пока растут новые кости. Со временем он растворяется без видимых побочных эффектов.

Команда ученых под руководством С. Боуз в течение четырех лет разрабатывала материал.

Прорыв произошел тогда, когда специалисты обнаружили, что основной материал искусственной кости — фосфат кальция — становится прочнее, если к нему добавить диоксид кремния и оксид цинка. Для изготовления каркаса будущего протеза они использовали 3D-принтер ProMetal, предназначенный для создания металлических объектов. Принтер из специального порошка и пластика послойно (толщина с человеческий волос) напечатал искусственный материал. После этого его обжигали в специальной печи при температуре 1250 градусов по Цельсию. В результате прочность материала на сжатие возросла в 2,5 раза по сравнению с начальной. Клинические испытания, проведенные на эмбриональных костных клетках, показали, что кость начинает расти на «подпорке» уже на первой неделе. По словам ученых, данная методика уже прошла успешные лабораторные испытания на крысах и кроликах. Эксперты отмечают, что созданный материал может оказаться полезным в лечении различных костных заболеваний, а также в стоматологии.

3D-принтер может совершить революцию в протезировании. Создание протезов с его помощью в разы сокращает их стоимость. При этом значительно сокращается срок изготовления протезов, что особенно важно для детей: они растут, и протезы для них приходится часто менять.

На выставке в Лондонском музее науки представлены экспонаты, которые позволяют увидеть возможности применения 3D-печати в медицине. После того, как южноафриканский плотник Ричард Ван потерял пальцы в результате несчастного случая, он решил создать недорогой протез руки для людей без пальцев. Такой механический протез с функционирующими пальцами, получивший название Robohand, можно распечатать на 3D-принтере. Детали собираются с помощью кабелей и винтов в готовый протез, который позволяет при сгибании запястья сжимать пальцы. Чертежи для изготовления этого протеза находятся в свободном доступе в Интернете, что позволяет любому человеку, имеющему 3D-принтер, сделать свою собственную версию Robohand. Ричард Ван изготовил несколько бесплатных протезов для детей. Стоимость подобного протеза составляет всего $ 150. Такая низкая цена стала возможной только благодаря применению 3D-принтера. Каркас поддерживает костные клетки и позволяет им заполнить отверстие.

Такие каркасы напечатаны из биоразлагаемых материалов, подобных тем, что используются в хирургии. Через три года каркас растворится, оставив новые здоровые кости. Эти 3D-протезы суставов выполнены методом 3D-печати из порошка титана, который хорошо зарекомендовал себя в протезировании тем, что не вызывает отторжения тканей. Благодаря компьютерной томографии такие протезы выходят чрезвычайно точными. Уже скоро эту технологию можно будет использовать для протезирования бедра, колена или локтя.

Но печать на 3D принтере пошла еще дальше.

Механическая рука создана Ричардом Гааге и исследовательской группой Ноттингемского университета, которая изучает возможность использования 3D-принтера для воссоздания электрических, оптических и даже биологических функций руки. «На данный момент 3D-печать использует один материал — полимер или металл, спекаемый вместе с помощью лазера. Вы можете создать сколь угодно сложные геометрические фигуры, но они по-прежнему будут оставаться пассивными. А мы хотим оживить их и заставить работать на благо человека. Поэтому вместо того, чтобы печатать отдельные компоненты, мы хотим печатать сразу целую систему», — говорит Ричард Гааге.

3D-печать действительно охватывает всё. Это сопоставимо с web-технологиями, которые могут быть применены ко всему, что мы захотим.