Где Айболит взял новые ножки для зайца, который попал под трамвай? Давайте порассуждаем: легенда ветеринарии, прогрессивно мыслящий доктор, который берется за самые сложные случаи и востребован за рубежом… Наверняка он использует в своей работе аддитивные технологии.
Additivus в переводе с латыни – «прибавляемый». Аддитивное производство, или 3D-печать – это «выращивание» изделий, когда материал послойно добавляется на основу. Материалы могут быть самые разные: воск, полимеры, металлы, бетон, керамика и т. д. Предпосылки технологии появились давно: еще в 1892 году Джозеф Э. Блантер из Англии запатентовал устройство, которое с помощью наслоения создавало трехмерные топографические карты. А патент на первое устройство для печати трехмерных объектов получил в 1986 году американец Чарльз Халл. Его стереолитографический аппарат создавал изделия из фотополимеров, отвержденных ультрафиолетовым лучом. С Халла и отсчитывается эпоха 3D-печати: он основал фирму 3D Systems, которая первой начала коммерческую деятельность в этой области.
Сейчас аддитивные технологии применяются везде: в дизайне, архитектуре, строительстве, палеонтологии, с их помощью делают сложнейшие детали для ракет и самолетов. В медицине уже давно используются инструменты, напечатанные на 3D-принтере, индивидуальные слуховые аппараты, стоматологические коронки, капы и даже искусственно выращенные органы – об этом «ММ» писал в 2018 году. Зайцу, который пострадал в ДТП и попал на прием к Айболиту, наверняка потребовались протезы ног – их тоже сегодня делают с помощью аддитивных технологий из композитных материалов: такие протезы получаются легче и эстетичнее, чем, например, шинно-кожаные. Но если бы у зверя была травма или заболевание сустава (например, артрит), доктор предложил бы ему эндопротезирование – замену сустава имплантатом, который позволит вернуться к активной жизни.
Сегодня протезируют любые суставы – коленные, локтевые, тазобедренные, плечевые, суставы пальцев и т. д. Обычно врач подбирает пациенту универсальный эндопротез – такие выпускаются серийно. Они не учитывают индивидуальные особенности человека, поэтому после установки не получится бегать, как раньше, – а может, и ходить. Возможно, придется сделать повторную операцию или даже не одну. Кроме того, при установке такого протеза хирургам приходится обтачивать костные ткани, чтобы «подогнать» их под стандартный искусственный сустав.
Благодаря же аддитивным технологиям сустав можно напечатать индивидуально, с учетом «личной» анатомии пациента, и он будет точь-в-точь как «родной». Цифровая модель для него создается с помощью томографического исследования пациента: несколько послойных снимков дают объемное изображение. После этого из обычного пластика печатается модель самого дефекта, который требуется исправить во время операции (например, разрушенный сустав), и прототип имплантата – это нужно для того, чтобы увидеть все тонкости анатомии человека, которые не удалось рассмотреть на компьютере, проверить, подходит ли эндопротез, и распланировать ход операции. Затем создается «рабочий» протез из титанового сплава – его и будут вставлять вместо поврежденного органа.
Почему именно титан? Напечатанный сустав, даже идеально подходящий анатомически, остается искусственным. Чтобы организм его не отторгал, имплантат должен быть выполнен из биосовместимого материала – такого, чтобы он не был токсичным или канцерогенным, чтобы не вызывал аллергию и не провоцировал образование тромбов, и чтобы сам не разрушался под воздействием тканей и жидкостей организма. Один из самых биосовместимых элементов – титан, из которого и делается большинство искусственных суставов. Чтобы металлический сустав «подружился» с живыми тканями, его покрывают составом на основе гидроксиапатита – это основной компонент неорганической составляющей костей. Также для таких целей используют фибронектины – белки, которые организм вырабатывает естественным образом: они входят в состав соединительной ткани, ускоряют рост клеток и, таким образом, уменьшают риск отторжения. Если все проходит хорошо, протез со временем обрастает живыми тканями и не требует замены куда дольше, чем обычный протез. А срок службы «серийных» искусственных суставов – 15–20 лет, после чего их приходится менять.
Первый эндопротез по индивидуальным меркам напечатали на 3D-принтере в 2012 году в Бельгии: это была челюсть, которую ученые из Университета Хасселта сделали для 83-летней женщины. С тех пор аддитивные технологии в хирургии развиваются. Активнее всего 3D-печать для имплантации используется в протезировании зубов: услугу, которая восстанавливает целостность зубного ряда с ювелирной точностью, предлагает множество клиник. Но зубы – это самый простой пример 3D-имплантатов. А вот американская группа компаний DePuy Synthes выпускает эндопротезы для замены плечевого сустава. Корейская компания Mantiz с 2018 года и вовсе создает титановые заменители износившихся межпозвоночных дисков – кейджи. Такой имплантат делается в виде полого цилиндра со множеством отверстий. Летом 2020 года появилась информация о том, что комплексы для спинальной хирургии – фиксирующие кейджи для позвонков – будут производиться и на базе госкорпорации «Росатом». Дизайнеры лондонской студии Tonkin Liu разработали 3D-технологию создания трахеального стента, который используется для открытия проходимости дыхательных путей. С такими устройствами у хирургов и пациентов связана все та же сложность, что и с искусственными суставами: стенты имеют стандартную форму, не всегда фиксируются в трахее как надо и могут смещаться, а это чревато осложнениями. Аддитивные технологии позволяют сделать стент с учетом индивидуальных особенностей пациента. Конечно, такой имплантат создается уже не из металла, а из силикона.
Насколько востребовано эндопротезирование? Например, в нашей стране каждый год делают более 80 тыс. операций только по замене тазобедренного сустава. Раньше лучшие искусственные суставы поставлялись из Германии и Франции, но сегодня отечественные специалисты научились делать титановые протезы тазобедренного сустава при помощи аддитивных технологий. Первый такой протез в 2015 году вырастили сотрудники Института металлургии, машиностроения и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого совместно со специалистами Института травматологии и ортопедии им. Вредена. Это был первый в России проект по внедрению аддитивных технологий в производство высокотехнологичных изделий для медицины, а Политех стал первым в России центром, где смогли изготовить металлический сустав на 3D-принтере. Изготовление заняло всего четверо суток. Сустав передали Институту им. Вредена, где его успешно установили пациентке. За эти годы в институте – крупнейшем учреждении ортопедического профиля в стране – проведено уже около 200 операций по имплантации таких конструкций, но технология пока не применяется широко. Причина – трудоемкость и дороговизна: стоимость персонального имплантата достигает полумиллиона рублей! По квоте пациент может получить протез бесплатно, но, конечно, технология нуждается в удешевлении. Для этого нужна методика, которая позволит повысить качество моделей и ускорить их производство.
А еще титановый сустав, каким бы легким и крепким он ни был и как бы идеально ни подошел своему владельцу, остается неживым – ведь в нем нет кровеносных сосудов. Поэтому одна из актуальных задач для биоинженеров (а также биологов, биомехаников, гистологов) – создание по-настоящему биологического протеза, который сможет заменить живую ткань и даже будет способен восстанавливаться. Будут ли это ткани из стволовых клеток или другого материала – пока неизвестно, и все, что ученым удалось создать, пока далеко от совершенства. Но шагом к его достижению, безусловно, стала разработка петербургских ученых – врачей и инженеров.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
