Наши ученые уже печатают на 3D-принтерах лекарства, зубы и протезы

Таблетка под конкретного пациента — это не фантастика, а реальность. В мире работают над созданием персонифицированных лекарственных средств. Первые исследования начались и у нас. Мы заглянули в Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова, где активно развивают направление 3D-медицины, и узнали все подробности.

Пилюля в виде пирамиды

Мы придем к тому, что не только в каждой медклинике, но и в аптеке будет стоять 3D-принтер. Сергей Филатов, заведующий лабораторией, не фантаст, он знает, о чем говорит. Внедрив 3D-печать на предприятиях и стройках, в конструкторских мастерских и в «интернете вещей», инвесторы активно возьмутся за здравоохранение. Это мировая тенденция. Сергей Филатов протягивает небольшой контейнер. В нем таблетки. И каждая «напечатана» на принтере, предупреждает заведующий:

— Стремимся прийти к тому, чтобы доза лекарства персонально определялась для каждого пациента, а потом нужная таблетка будет создаваться на 3D-принтере. Понятно, что количество лекарственного вещества для мужчин весом 70 килограммов и 100 должна быть разной. Поэтому массу действующего вещества в таблетке будет определять доктор.
Причем можно создать лекарство, которое будет растворяться в организме с разной скоростью. Выпил, допустим, человек раз таблетку, а она будет действовать часы или даже сутки. Пилюлю 3D также можно послойно создать из разных препаратов. Например, сегодня человеку после трансплантации органа надо принимать горсть препаратов. А с помощью аддитивных технологий он сможет выпить всего одну таблетку, зато она будет лечить сразу в нескольких направлениях.

— Цилиндрическая форма привычна глазу, — Сергей Филатов берет в руки таблетку. — Но в зависимости от действия лекарства можно выбрать и другую. Например, пилюля в виде усеченной пирамиды будет растворяться быстрее.

В планах — создавать органы для трансплантации

Возможности аддитивных технологий в медицине кажутся безграничными. На 3D-принтерах здесь создают объемные модели сердца, сустава, трахеи. Некоторые из них становятся своеобразными учебными пособиями для медиков. Заведующий лабораторией достает из шкафа распечатанное сердце и протягивает мне:

— Посмотрите, оно даже на ощупь как настоящее. Печатаем модели суставов. Они создаются по компьютерной томограмме пациента. Поэтому даже если разрезать такой сустав, он внутри будет точь-в-точь как настоящий. С помощью этих реалистичных моделей белорусские врачи готовятся к сложным операциям.
Но ученые ставят и более амбициозные цели. В планах создавать органы для трансплантаций. Сергей Филатов показывает модель почки, распечатанной на принтере:

— По сути, это всего лишь пластиковый каркас, который потом можно «покрыть» человеческими клетками. Так они будут расти еще несколько недель в лаборатории, прежде чем орган сможет нормально функционировать. После установки органа каркас постепенно растворяется, и остается только живая человеческая ткань, идеально совместимая с организмом. А можно с помощью принтера создавать органеллы. Для понимания приведу пример. У человека проблемы со щитовидной железой. Мы выращиваем ткани щитовидной железы, но «подшиваем» их необязательно в том месте, где находится железа внутренней секреции. При этом они выполняют свои функции.

Кожу отправят на печать

В институте работают и над созданием прототипа искусственной кожи. Перед нами две кисти рук — тоже «выращены» с помощью принтера. Беру одну из них. Слегка бархатистая поверхность, сожмешь в руке — сжимается. Не пластик, но все-таки пока еще и не кожа. Сергей Филатов соглашается: «До искусственной кожи пока далеко, зато эта кисть в качестве рабочего органа для робота-манипулятора — отличный вариант. И для создания протеза тоже подойдет. А может, эти кисти станут шагом к созданию искусственной мышцы.

Проблема в следующем: чтобы создавать все, о чем мы говорим, нужны новые функциональные материалы для заправки 3D-принтеров. Некоторые делают у нас, некоторые закупают за границей, а потом уже наши ученые модифицируют их под свои цели.
За стеклом передо мной кабинет. В него посторонним людям заходить нельзя. Это так называемая чистая комната. В ней один из самых лучших электронных микроскопов в стране. На нем изучаются все материалы, используемые для 3D-печати. Качество будущего искусственного органа можно проверить на высшем уровне: микроскоп увеличивает в десятки тысяч раз.

Пока мы работаем сразу в нескольких направлениях, — подводит итоги Сергей Филатов. — Готовы сотрудничать с медучреждениями, предприятиями, вузами, со всеми, кто заинтересован в новых достижениях науки.

Возможно, недалек тот час, когда мы будем приходить в аптеку, протягивать свой генетический паспорт или рецепт от доктора, а через несколько минут у нас в руках будет упаковка таблеток. И это будет не просто лекарство, а препарат, созданный индивидуально под нас.

КОММЕНТАРИЙ

Сергей ЧИЖИК, первый заместитель председателя Президиума НАН:

— Аддитивные технологии, или технологии 3D-печати — сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства. И эти технологии применяются в самых разных областях — машиностроении, приборостроении, медицине. Для медицины это очень перспективная ниша. Сегодня файлы, полученные с помощью компьютерной томографии, можно использовать не только для диагностики, но и для визуализации органов и тканей в 3D-масштабе с последующей распечаткой их на принтере. Эта возможность, которая еще несколько лет назад казалась нереальной, теперь дает потенциал двигаться сразу в двух направлениях. Первое — создание прототипов для подготовки к операции. Мы уже сотрудничали с Республиканским центром травматологии и ортопедии. В центре планировали сложнейшую операцию на суставе. Поэтому в Институте тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН воссоздали точную копию сустава. На этом муляже, полностью повторяющем больной сустав, медики «отрепетировали» будущую операцию. Она прошла успешно. Кстати, с помощью моделей костей, выращенных на принтере, можно изучать влияние их структурного строения на механические свойства, ведь напечатанный образец идентичен прототипу не только по внешней форме, но и внутренней структурой. Мы уже проводили эксперимент: печатали на принтере сустав, изготовленный по медицинской томограмме пациента.  А потом делали уже ультразвуковую томограмму искусственного сустава. Получаются «братья-близнецы».

Второе направление — печать искусственного органа или его части «биочернилами» на основе биологических клеток. Уже ведем переговоры с РНПЦ трансплантации органов и тканей. Также на этапе переговоров находится проект с Южной Кореей. Его суть: создание персональных лекарств с помощью 3D-печати. Первые исследования начались, но пока мы в начале пути.

У этой технологии будущего безграничные возможности. Но есть и проблемы. Сейчас важно работать с новыми материалами для 3D-принтеров, которые соответствуют решаемой задаче, когда речь идет о медицине — биосовместимыми. Немаловажно также готовить квалифицированные кадры. Пока таких специалистов немного, но начато обучение по аддитивным технологиям в БГУ, БНТУ, БГТУ. Наши ученые готовы помогать медикам. Но мы не играем здесь первую скрипку. Важно, чтобы в общий процесс активнее включались врачи и ученые биомедицинского направления.

Таисия АЗАНОВИЧ

azanovich@sb.by

Сирены титана

Нейрохирургия — одно из направлений, где активно используется 3D-моделирование. Ежегодно в Республиканском научно-практическом центре неврологии и нейрохирургии выполняют более 500 пластических операций на черепе. С использованием 3D-прототипов проведено уже более 50 вмешательств.
Травмы, мероприятия по декомпрессии головного мозга приводят к нарушению целостности костного каркаса головы. У пациентов формируются дефекты черепа. От малых до внушительных размеров, от 6 до 270 квадратных сантиметров!

Заведующий вторым нейрохирургическим отделением Центра Андрей Щемелев показывает макет кости головы: 

— После устранения сдавления мозга пациент какое-то время ходит без участка черепа. Затем встает вопрос о закрытии дефекта. Иначе развивается синдром трепанированных — пациента будут беспокоить головные боли, головокружения. Такие больные чувствительны к перепадам атмосферного давления. Им некомфортно при наклонах головы. Можно легко травмировать мозг, и тогда возникнет повторное кровотечение с формированием гематомы и угроза для жизни. Идеальным материалом считается собственная кость. После трепанации костный лоскут можно, например, заморозить. Но при размораживании и имплантации есть риск заражения. Мало ли — температура в холодильнике сбилась! Поэтому до следующего этапа операции вырезанный участок сохраняют в подкожной клетчатке живота, на ноге. Получается, как карман. Мы сохраняем часть кости черепа в подкожной клетчатке головы пациента. Но тут есть вероятность, что собственный организм начнет рассасывать косточку, и она уменьшится в объеме. Может проваливаться при вмешательстве, как неподходящая по размеру крышка люка.

Бывают случаи, когда части черепа разрушаются по причине травмы или сильного нагноения, и сохранять в подкожном тайнике просто нечего. И встает вопрос: как же закрыть такой дефект? Около 35 лет в Беларуси для этих целей использовали протакрил — материал, который применяют для изготовления зубных протезов. Но он достаточно аллергенный, поэтому высока вероятность отторжения. 

Андрей Васильевич раскладывает прототипы костного каркаса головы из пластика и титановые пластины. 

— Если есть возможность, мы сохраняем кость пациента. Если нет — ставим титановые имплантаты. Это валютосберегающая импортозамещающая продукция нашего производства. В три раза дешевле, чем зарубежные аналоги. По своим характеристикам, качеству не уступает зарубежным пластинам. 

Доктор вспоминает первую пациентку, которой была выполнена пластика черепа с титаном. 

Девушку избили. Пострадавшая получила обширное повреждение черепа: вдавленные переломы и раздробленная кость. Площадь поражения 270 квадратных сантиметров! Нейрохирурги устранили сдавление мозга. Состояние стало улучшаться. 

—Жить без половины черепа долго невозможно, — разводит руками доктор. — Благодаря специалистам ООО «Гейтс Трейд» была изготовлена индивидуальная 3D-модель черепа девушки с недостающим фрагментом. Ее моделировали по здоровой стороне. И уже по напечатанному прототипу изготовили титановый имплант, который успешно пересадили. 

Ира поправилась, окончила институт, живет обычной жизнью и на титан не жалуется. Такой имплант может стоять постоянно. 

3D-моделирование применяют и при операциях по удалению опухоли на кости. 

— В программе выстраиваем, как будем убирать новообразование. Выполняем краниопластику титановой пластиной. Такой подход дает ориентир по объему операции. 3D-печать — перспективное направление в медицине. 

Ольга КОСЯКОВА

drug-olya@yandex.ru

Здоровье, скрепленное печатью

Съемные протезы, зубные импланты, прозрачные капы и брекеты — благодаря 3D-моделированию стоматологические шаблоны делают для каждого пациента. Кроме того, печать прототипов применяют в травматологии, кардиологии, нейрохирургии. Специалисты компании ООО «Гейтс Трейд» реализуют с медиками совместные социальные проекты. Об этом корреспонденту «Р» рассказал руководитель 3D-направления в медицине ООО «Гейтс Трейд» Евгений ЛЯСОТА.
Евгений демонстрирует образцы стоматологических шаблонов, «отпечатанные» на принтере. 

— В стоматологии выделяют около семи различных направлений, где используют объемную печать. Одно из самых распространенных — изготовление хирургических шаблонов. Допустим, у человека нет зубов, — Евгений берет в руку заготовку для имплантации. — При обычном подходе велика вероятность того, что хирург во время операции заденет нерв или повредит кость. Но если вмешательство спланировано при помощи 3D-моделирования, такие осложнения исключены. Челюсть сканируется. В специальной программе доктор моделирует, как должен располагаться шаблон. Сегодня они дешевые, а вероятность «промазать» сводится к нулю. Ведь операция прорабатывается под конкретного пациента. 
Лясота включает монитор. И наводит на меня сканер. Несколько мгновений — и я вижу объемное изображение своего лица на экране. А дальше программа позволяет работать исходя из задачи. Евгений говорит, что можно распечатать, например, мою руку в пластике. Не сразу укладывается в голове, как это — моя рука при мне, а ее пластиковый «близнец» на столе. Недавно в компании занимались печатью прототипа сердца для РНПЦ «Кардиология». Так, были успешно проведены две сложнейшие операции с высокой точностью. 3D-моделирование дает возможность хирургу действовать во время операции, зная о том, с чем ему предстоит столкнуться, а не просто «шагать» инструментами на ощупь. 

—Шаблоны мы печатаем бесплатно, — вдается в подробности руководитель направления 3D-печати. — Медицина — это социальное направление. Мы заинтересованы в развитии новых технологий. 
Евгений перечисляет возможности большого принтера. Загружать в аппарат можно любой материал: металл, дерево, пластик и даже керамику. Мой собеседник отматывает из большой бобины немного пластиковой нити. Вот из нее машина и ткет шаблоны человеческих органов: кости, зубы, сердца, черепа. 

Или, к примеру, взять брекеты для выравнивания зубов. Раньше они доставляли дискомфорт пациенту. Бросались в глаза окружающим. Сегодня 3D-печать позволяет делать удобные прозрачные брекеты, не сковывающие улыбку. Изготовление занимает всего полдня. Та же история и с временными винирами. 

Евгений объясняет принцип действия принтера, указывая на огромную установку размером со шкаф: 

— Нить попадает в специальную трубку, где разогревается до высокой температуры и укладывается слой за слоем, превращаясь в объемную структуру. Если присмотреться к деталям, то все они состоят из слоев. 
Еще один проект компании «Зрячие — для незрячих». 

— Печатаем 3D-таблички для учреждений. Слабовидящим легче будет по ним ориентироваться. 

Важнейшее направление в 3D-печати — создание обучающих моделей для студентов медвузов. 

Объемной печати сегодня нет предела. Представители компании берутся за самые необычные заказы. Например, прототип изделия, удаляющего татуировки. Из Индии белорусским 3D-печатникам заказали скальпель под руку конкретного хирурга. Теперь операции возможны не только с помощью шаблонов, отлитых под пациента, но и инструментов, заточенных под руку специалиста. 

Ольга АЛЕКСАНДРОВА