Трансплантация органов и тканей

3D печать в медицине

Сидни Кендал в шестилетнем возрасте лишилась правой руки в результате несчастного случая при катании на лодке. Теперь Сидни уже исполнилось 13 лет и она попробовала несколько протезов руки. Все протезы оказались малофунциональными, не практичными и не красивыми. Тем не менее, теперь у девочки появился новый удобный, механический, 3D печатный, розовый, пластиковый протез руки.

Быстрый переход:

• Что такое 3D печать в медицине?
• Зубы, протезы конечностей и слуховые аппараты
• 3D имплантаты
• 3D-печатная живая ткань

Этот протез руки спроектировали специально для Сидни весной нынешнего года студенты инженерного факультета Университета Вашингтона в Сент-Луисе при сотрудничестве с больницей Шрайнерс. Девочка вместе со своими родителями наблюдали за процессом печати.

Мать Сидни, Бэт Кендал, рассказывает, что на печать каждого пальца ушло около 7 минут. Они не могли поверить в происходящее.

Когда Сидни надела новую руку и пошла в школу за пределами Сент-Луиса, ее одноклассники также были потрясены. Они говорили девочке, что она станет знаменитостью, ведь это так круто.

Механическая рука с противопоставленным большим пальцем помогает Сидни поднимать баскетбольный мяч, двигать компьютерную мышь, поднимать картонный стаканчик для чая.

Во сколько обошлось это чудо? Всего около $200. Обыкновенные механические руки могут стоить от $50,000 до $70,000, а по мере роста и развития ребенка их нужно систематически менять.

Бэт Кендал, рассказывает, что многие родители не в состоянии приобрести протезы для своих детей в связи с их высокой стоимостью.

Механические руки, одна из которых досталась Сидни, являются очередным примером того, как 3D печать в медицине закладывает начало новой эры в сфере здоровья.

От протезирования зубов до сердечных клапанов – технология приносит изготовленные на заказ, персональные решения в операционные и кабинеты врачей. Эксперты рассказывают о десятках клиник, которые применяют 3D печать в экспериментальных проектах и операциях.

Наряду с этим ученые продолжают разрабатывать все более невероятные применения 3D печати в медицине: печать человеческих органов и тканей. Чтобы способствовать дальнейшим исследованиям, Национальные институты здоровья США в июне 2014 года запустили программу обмена достижениями 3D печати в медицине, позволяющую пользователям обмениваться и загружать файлы своих проектов.

Исследователям из Института регенеративной медицины Уэйк Форест удалось напечатать образцы печеночной ткани, которые живут в чашках Петри – очередной шаг, приближающий человечество к печати органов. По мнению многих ученых, 3D печать совершит революцию в сфере здоровья и положит начало новой эры.

3D печать может кардинально изменить медицинские исследования. 3D печать – это отличные инвестиции в будущее, которые окупаются с лихвой. Благодаря данной технологии удалось найти ответы на фундаментальные вопросы науки при минимальных растратах. В это сложно поверить, тем не менее, это факт. 3D печать в медицине позволяет достигать невероятных результатов, экономя при этом средства и прочие ресурсы.

Что такое 3D печать в медицине?

Представьте чернильный струйный принтер, только вместо печати букв на листе бумаги, он формирует из пластика, метала или порошкового материала различные объемные формы, такие как зуб, палец или бедренный сустав.

Типичный принтер принимает на печать документ, а 3D принтеры получают команды из МРТ или КТ снимка части тела. 3D печать, известная также как технология аддитивного производства, создает объект слой за слоем, снизу вверх.

Несмотря на то, что первые 3D принтеры появились в 1980-х годах, они отыскали свое применение в медицине всего несколько лет назад.

Такие устройства могут производить более сложные формы, нежели традиционные технологии производства. Таким образом, можно производить максимально персональные продукты: зуб, который в точности похож на тот, которого лишился пациент; или точную копию бедренного сустава.

Данная технология позволяет сэкономить время, а также позволяет производить медицинские устройства практически в кабинете врачей. На сегодняшний день статистические четкие цифры отсутствуют, тем не менее, по мнению экспертов, только в США несколько десятков медицинских учреждений используют 3D принтеры в тех или иных целях.

Зубы, протезы конечностей и слуховые аппараты

3D печать в медицине уже широко используется в производстве искусственных частей тела – зачастую из пластика или металла – которые контактируют с телом человека, но не контактируют с кровью. Например, зубы, слуховые аппараты и протезы конечностей.

Ранее зубные коронки производились в специальных лабораториях и мастерских. Данный процесс отнимал несколько дней и даже недель. Пациентам приходилось несколько раз посещать врача для примерки протеза. Теперь стоматологи могут просто сделать 3D снимок зуба и изготовить коронку мгновенно на месте.

Технология предоставила людям с ампутированными конечностями, таким как Сидни, возможность выбора – альтернативные инновационные протезы. Студии 3D печати часто сотрудничают с клиентами, чтобы разработать стильные, красивые протезы, которые не нужно будет от всех скрывать, а наоборот захочется продемонстрировать всем.

Некоторые врачи работают с военными ветеранами, которые лишились конечностей, чтобы откорректировать их далекие от совершенства старые протезы. Они используют 3D печать для изготовления протеза, который адаптируется к колебаниям уровня жидкости в организме. В случае необходимости он затягивается или ослабляется, таким образом, протез не вызывает неприятных или болевых ощущений у пациента.

3D имплантаты

3D печатные пластиковые или металлические изделия также проложили себе путь во внутрь человеческого организма. Врачи из Детской больницы Мотта при Университете Мичигана спасли жизни двух малышей в 2012 году благодаря 3D печатным пластиковым имплантатам, которые установили в их дыхательные пути.

Малыши имели редкий врожденный дефект, который называется трахеально-бронхиальное размягчение. Без надлежащего лечения их слабая дыхательная система отказала бы, вызвав удушье и смерть. Единственное лечение: вставить трахеостомическую трубку и подключить ребенка к системе искусственной вентиляции легких на несколько лет, до тех пор, пока их дыхательные пути не окрепнут, чтобы самостоятельно оставаться открытыми.

Однако в случае 17-месячного Гарета Петерсона лечение не дало ожидаемых результатов. Ребенок оставался подключенным к аппарату искусственной вентиляции легких, однако его дыхательные пути по-прежнему оставались слишком слабыми. Врачи из штата Юта, где проживает семейство Петерсонов, сделали все, что было в их силах.

«Гарету даже нельзя было плакать, иначе он приобретал синий оттенок, - рассказывает отец мальчика, Джейк Петерсон - Нам нужно было держать его постоянно на руках и делать все, чтобы он чувствовал себя счастливым, а это невозможно сделать, если ребенок подключен к аппарату искусственной вентиляции легких».

Петерсоны прочитали статью о похожем случае. Мальчику оказали помощь в 2012 году с помощью 3D печатной трахеальной шины. Именно тогда они обратились за помощью к хирургу из клиники Мотта, Глэну Грину.

«Мы решили, что это единственный для Гарета шанс. Врачи из Юты предупредили нас, что нам стоит привыкнуть к мысли о том, что нас шин уйдет из жизни. Но мы не были к этому готовы», - рассказывает Натали Петерсон, мать Гарета.

Грин совместно с профессором биомедицинской инженерии Холлистером, используя КТ снимки дыхательных путей Гарета, спроектировали и напечатали специальные шины, которые поддерживали бы дыхательные пути мальчика открытыми. В конечном итоге, тело абсорбирует устройство, и дыхательные пути будут оставаться открытыми. Детская больницы Мотта является первым в мире медицинским учреждением, где совершили такую операцию.

«Думаю, это был первый пример использования 3D печати в медицине в ситуации, когда речь идет не о жизни, а смерти», - говорит Холлистер, комментируя случай с мальчиком, которому они оказали помощь в 2012 году.

Затраты на трахеостомию и длительное пребывание на искусственной вентиляции легких превышает $ 1 млн на одного пациента. По словам Холлистера, шина обошлась примерно в $200,000- $300,000.

Хирурги имплантировали и другие 3D печатные устройства в пациентов. Залатали отверстия в черепе, сделанные для операции на головном мозге. Черепные пластины могут заменить большие участки черепа, утраченные в связи с травмой головы или раком. Клиника Майо на ряду с другими клиниками предлагают 3D печатные имплантаты бедренных и коленных суставов. Суставы, изготовленные на персональной основе, минимизируют длительность операции и послеоперационной реабилитации. Также врачам не нужно убирать костную ткань, чтобы правильно установить имплантат.

3D-печатная живая ткань

Помимо металлов и пластика, врачи и ученые наполняют 3D принтеры человеческими клетками и печатают из них живые ткани – данный процесс называют биопечатью. В будущем ученые намерены печатать живые органы для пересадки, используя клетки пациента. Некоторые эксперты прогнозируют, что это произойдет уже через 10 лет и принесет революцию в сферу трансплантации органов. Пациенты не будут умирать в ожидании органов, а их иммунная система не станет отвергать донорские органы.

Ученые также намерены использовать живую печатную печеночную ткань в испытании новых лекарственных препаратов на токсичность. Они считают, что такой метод обеспечит более точные результаты, нежели традиционные испытания на животных.

Биомедицинские инженеры используют несколько методов печати органов. Принтери создает пластиковую модель органа, которая затем покрывается человеческими клетками. Или же принтер может выпускать клетки в специальный гель на основе коллагена, которые скрепляет все воедино. В течении нескольких недель клетки вырастают в пластиковых или коллагеновых формах прежде, чем получить из них функциональный орган. После внедрения в тело, формы разрушаются, оставляя после себя лишь человеческую ткань. В случае с детьми это означает, что ткани могут расти вместе с ними, исключая необходимость последующих операций, связанных с ростом организма.

Биоинженерам из Корнельского университета уже удалось напечатать уши, исследователи из Университета Мичигана также испытывают эту концепцию. Многие лаборатории уже используют печатные ткани при испытании новых исходных более совершенных материалаов.