Применение 3D-принтеров в медицине: технология 3D-печати органов и применение лекарств
Современная медицина стоит на пороге революционного прорыва, благодаря развитию и внедрению технологий 3D-печати. Использование 3D-принтеров в медицинской сфере открывает новые горизонты в лечении заболеваний, изготовлении медицинских изделий и разработке лекарственных средств, позволяя хирургам использовать модели для 3D-печати на основе КТ-снимков.
Этот метод позволяет создавать индивидуальные имплантаты, протезы, органы для трансплантации, а также разрабатывать лекарства, точно адаптированные под нужды конкретного пациента, что невозможно в рамках традиционных процессов производства.
Содержание:
3D-печать протезов: от анатомического моделирования до реализации
Области применения 3D-печати в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии
#Как 3D-печать преображает сферу медицины?
#Революция в производстве медицинских имплантатов
Технология 3D-печати успешно используется в медицине для изготовления сложных индивидуальных медицинских имплантатов. Благодаря возможности точного воспроизведения анатомических структур пациента, имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, обеспечивают идеальную совместимость с тканями организма.
Этот процесс значительно ускоряет время восстановления пациентов и снижает риск осложнений после хирургических вмешательств.
#Перспективы биопечати органов для трансплантации
Биопечать, использующая живые клетки для создания функционирующих органов, становится одним из самых перспективных направлений в медицине. Дефицит донорских органов и длительное ожидание трансплантации побуждают ученых разрабатывать методы 3D-печати органов.
Впрочем, несмотря на значительный потенциал, данное направление все еще находится на ранних этапах развития и требует решения ряда научных, технических и этических вопросов.
#Индивидуализированные лекарственные формы благодаря 3D-печати
3D-печать лекарств открывает новые возможности для создания индивидуализированных лекарственных форм, дозировок и режимов приема, максимально адаптированных под конкретного пациента. Это позволяет усилить терапевтический эффект лекарств и минимизировать побочные действия.
Применение 3D-печати в фармакологии способствует повышению эффективности лечебных мероприятий и улучшению качества жизни пациентов.
#3D-печать протезов: от анатомического моделирования до реализации
#Создание индивидуальных протезов с помощью 3D-принтеров
Производство протезов с использованием 3D-печати в корне меняет подход к реабилитации пациентов, потерявших части тела. Благодаря 3D-моделированию на основе МРТ- или КТ-снимков, сегодня возможно создавать полностью адаптированные под анатомические особенности пациента протезы.
Это не только обеспечивает высокую функциональность и комфорт использования, но и способствует физической и психологической адаптации пациентов.
#Аддитивные технологии в протезировании: преимущества и вызовы
Аддитивные технологии, лежащие в основе 3D-печати, предлагают уникальные преимущества в протезировании, такие как скорость изготовления, возможность создания сложной геометрии изделий и сокращение стоимости производства.
Тем не менее, они сталкиваются с рядом вызовов, включая обеспечение долговечности и надежности протезов, а также совершенствование материалов для печати, которые должны быть безопасными и функциональными длительное время.
#Какие протезы с 3D-печатью наиболее распространены?
Наиболее распространенными 3D-печатными протезами являются:
3D-печатные протезы рук: Производство протезов предназначено для людей, которые потеряли свои руки начиная от запястья. Группа E-nable prosthetics, управляющая сообществом изготовителей, энтузиастов и благотворителей, разрабатывает разнообразные 3D-модели протезных рук. Часть этих моделей затем печатается и бесплатно распределяется среди сотен людей по всему миру.
3D-печатный протез руки: Протезные руки могут сочетать в себе элементы кисти и предплечья или включать кисть, руку и предплечье. Протез Hero - это первый протез руки, созданный с помощью 3D-печати, который получил клиническое одобрение; этот прорыв стал возможным благодаря использованию компьютерной томографии и специализированного программного обеспечения для точного моделирования. Его особенности включают в себя возможности выполнения жестов "дай пять", захвата, показа "большого пальца вверх" и подачи. Этот протез выделяется своим эстетическим дизайном и пользуется большой популярностью среди детей благодаря различным образам супергероев, которые он может имитировать. Миоэлектрическая технология обеспечивает пользователям возможность контролировать движения своего 3D-печатного протеза руки на определенном уровне.
3D-печатный протез стопы: Протезы для ног обеспечивают возможность передвижения их владельцев. В основном они производятся либо с гибким механизмом каблука, либо с жестким каблуком, обладающим амортизирующими свойствами (SACH). Upya от компании Exoneo представляет собой доступный, динамичный и полностью адаптированный под биомеханику протез ноги, воспроизводящий реальную структуру пальцев, голеностопа и пятки. Это дает возможность его пользователем ощущать похожие ощущения, как при ходьбе на настоящей стопе.
#Биопечать в медицине: на пороге печати живых органов
#Текущее состояние и перспективы биопечати органов и тканей
Несмотря на то что биопечать органов пока находится на экспериментальной стадии, достигнутые результаты позволяют с оптимизмом смотреть в будущее. Успешные эксперименты с печатью живых тканей уже демонстрируют потенциал технологии для создания кожи, хрящевых структур и даже простых органов, таких как мочевой пузырь. Эти достижения становятся ключевым шагом на пути к печати сложных органов, способных восстановить здоровье и спасти жизни.
#Вызовы и этические аспекты 3D-печати органов
Развитие биопечати ставит перед медицинским сообществом и обществом в целом ряд этических вопросов, в частности связанных с использованием этой технологии хирургами и разработчиками медицинских изделий. Такие вопросы включают проблемы распределения ресурсов, доступа к технологиям и возможные последствия для донорства органов. Биопечать также требует развития новых нормативно-правовых рамок, которые будут регулировать использование и исследование биопринтеров в медицинских целях.
#Примеры
#3D-печатное решение для лечения почечной недостаточности
Был выявлен ещё один выдающийся случай использования биологической печати для почек. Большое количество людей во всём мире испытывает проблемы из-за их недостаточности, и к сожалению, мало существует способов лечения. С этой проблемой старается бороться американская фирма Trestle Biotherapeutics, разрабатывая 3D-печатную ткань для имплантации пациентам с терминальной стадией болезни почек.
Они фокусируются на создании полноценной функциональной почечной ткани, предназначенной не просто для замещения, а для восстановления утраченных функций. По заявлениям представителей Trestle Biotherapeutics, их инновационная терапия основана на сочетании стволовой клеточной биологии и 3D-биопечати. Целями команды Trestle являются не только избавление пациентов от необходимости проходить диализ и увеличение времени до трансплантации, но и создание биопечатной почечной ткани, способной служить полноценным заменителем органа в будущем.
#3D-печать роговицы может помочь при глазных заболеваниях
Каждый год свыше полутора миллионов людей испытывают неприятности, связанные с роговицей, что в некоторых случаях может вести к потере зрения. Решением этой проблемы занялась научная группа из Хайдарабада (Индия), которая успешно завершила создание первой в мире роговицы, напечатанной на 3D-принтере. Эта ткань была произведена с использованием биочернил, созданных на основе тканей человеческой роговицы, и в её состав не входят никакие другие искусственные или синтетические компоненты.
Организаторы проекта заявляют, что из одной донорской роговицы удаётся создать три новых. Данные прорывы в медицине глаз помогут в борьбе с такими болезнями, как рубцование роговицы и кератоконус. Исследование было опробовано на кроликах, и хотя до внедрения технологии в клиническую практику для людей ещё есть путь, результаты показали большую перспективу и обнадеживающие результаты.
#Синтетические и биологические материалы в биопечати
Основой биопечати является использование как синтетических, так и биологических материалов. Синтетические материалы используются для создания опорных структур, в то время как биологические – включая живые клетки – предназначены для «заселения» этих структур и формирования функционирующих тканей. Комбинация этих материалов позволяет создавать биопечатные изделия, которые могут реально имитировать свойства и функции натуральных органов.
#3D-печать лекарств: новые горизонты в фармакологии
#Персонализация лекарственных средств с помощью 3D-печати
Использование 3D-печати позволяет разрабатывать лекарственные средства, дозировки и формы выпуска, которые оптимально подходят для лечения конкретных патологий уникальных пациентов. Технология открывает возможности для создания комбинированных лекарств, где несколько активных ингредиентов могут быть точно дозированы и распределены в одной таблетке, улучшая комплаентность пациентов и облегчая протоколы лечения.
#Инновации в производстве и испытании лекарств
3D-печать также способствует ускорению процесса разработки и испытаний новых лекарственных средств благодаря возможности быстрого производства прототипов. Это позволяет фармацевтическим компаниям и исследовательским лабораториям существенно сократить время и затраты на внедрение новых медикаментов на рынок.
#Преимущества 3D-печатных лекарств для пациентов и врачей
Для пациентов использование 3D-печатных лекарств означает возможность получения максимально адаптированного к их потребностям лечения. Для врачей – это инструмент для управления более эффективными и безопасными лечебными схемами. Кроме того, 3D-печать лекарств открывает новый уровень в прецизионной медицине, делая лечение более индивидуализированным и эффективным.
#Примеры компаний, персонализирующих лечение с помощью препаратов, напечатанных на 3D-принтере
#Триастек, Инк.
Штаб-квартира: Нанкин, Китай
Triastek занимает лидирующие позиции в мире по фармацевтической 3D-печати и владеет 41 патентом, что составляет свыше 20% от общего числа мировых разработок в этой сфере. С применением собственной технологии 3D-печати MED, компания Triastek занимается созданием медикаментов и предоставляет свои технологические разработки для сотрудничества с другими фармацевтическими производителями в целях научных исследований и разработки новых лекарственных средств.
3D-печатьная платформа MED предоставляет возможность проектировать уникальные таблетки с разнообразными формами и структурой, которые управляют временем активации лекарства, его действием в течение времени и взаимодействием с телом. В 2020 году эта платформа была внесена в Программу по разработке новых технологий Агентства по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA), и два лекарства, изготовленные с помощью 3D-печати, получили одобрение FDA в качестве новых лекарственных средств, находящихся на стадии исследования.
Первое - это лекарство для хронотерапии ревматоидного артрита, принимаемое перед сном с задержкой высвобождения активного вещества до утра, когда боль и жесткость в суставах усиливаются. Второе - таблетка для ежедневного приема, предназначенная в качестве замены лекарствам, принимаемым дважды в день, для лечения кардиоваскулярных заболеваний и проблем с коагуляцией крови.
#GlaxoSmithKline
Штаб-квартира располагается в Брентфорде, Великобритания.
GSK стала прорывом среди ведущих фармацевтических корпораций, заинтересовавшись технологией 3D печати как средством для производства. Работая в сотрудничестве с Университетом Ноттингема, компания исследовала применение инкжетной 3D-печати и процесса полимеризации под воздействием ультрафиолета для создания твердых форм медикаментов. В 2017 году исследовательская группа показала успешное создание таблеток ропинирола, используемых при лечении болезни Паркинсона, с помощью 3D-печати.
При использовании инкжетной 3D-печати, жидкие материалы или твердые суспензии распыляются слоями, при этом каждый из слоев должен быть сначала высушен или "затвердевший" перед нанесением следующего. GSK исследует методы превращения активных фармацевтических субстанций в затвердевающие чернила для возможности их использования в 3D-печати медикаментов.
#Области применения 3D-печати в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии
#3D-печать в изготовлении зубных имплантатов и протезов
Стоматология оказалась одной из первых медицинских областей, где технологии 3D-печати нашли широкое применение. Сегодня, благодаря возможности точного анатомического моделирования и создания медицинских изделий по индивидуальному заказу, 3D-печать используется для производства зубных имплантатов и протезов, обеспечивая высокую точность, эстетику и функциональность.
#Пользовательские хирургические направляющие и инструменты
В челюстно-лицевой хирургии 3D-печать способствует разработке индивидуальных хирургических направляющих и инструментов, что повышает точность и безопасность сложных операций. Использование напечатанных по индивидуальному заказу инструментов позволяет хирургам достигать оптимальных результатов, минимизируя риски для пациентов и сокращая время восстановления после операций.
#Персонализированные решения для сложных хирургических вмешательств
Использование персонализированных медицинских изделий, полученных путем 3D-печати, значительно улучшает качество лечения в области челюстно-лицевой хирургии.
Печать индивидуальных имплантатов и реконструктивных элементов из биосовместимых материалов позволяет успешно восстанавливать анатомическую целостность лица пациентов после травм или в случае врожденных дефектов. Это способствует быстрой и эффективной реабилитации и значительному улучшению качества жизни пациентов.
#Пример применения 3D-печати в стоматологии
В Базельской университетской больнице в Швейцарии профессор Флориан Тирингер, руководитель кафедры челюстно-лицевой хирургии, акцентирует внимание на полезности 3D-печати для хирургических процедур.
Будучи лидером группы исследований аддитивных технологий в медицине (Swiss MAM) и одним из основателей лаборатории 3D-печати на территории больницы, доктор Тирингер вместе с коллегами сосредоточены на улучшении доступности прорывных медицинских решений. Они достигают этого за счет использования технологии виртуального хирургического планирования и 3D-печати, оснащая необходимым оборудованием, предоставляя обучение для студентов и делая доступными результаты своих исследований.
Применяя методы стереолитографии (SLA) и селективного лазерного сплавления (SLS), специализированные в области 3D-технологий, клинические инженеры способны в короткие сроки создавать анатомически точные модели для выполнения сложных оперативных вмешательств. За прошедшие два десятилетия технологии 3D-печати совершили значительный прогресс и нашли широкое применение в медицине, включая стоматологию, ортопедию и хирургию лица и челюстей.
Печать анатомической модели пациента перед проведением операции позволяет доктору Тирингеру разработать детализированный план хирургического вмешательства и создать специализированные направляющие для бурения и разрезов, настроенные под уникальную структуру тела пациента, а также заранее подготовить необходимые имплантаты. Кроме того, значительную пользу приносят 3D-печатные хирургические инструменты, особо адаптированные для использования в условиях операционной. Некоторые из материалов, из которых они изготавливаются, могут быть стерилизованы для безопасного использования в хирургии.