Пластмассовый мир победил

Предисловие

Мне грустно писать эту статью, грустно, потому что я был очень близок к реализации многих вещей, которые будут здесь описаны. О трехмерной печати я узнал в марте 2013 года, когда прочитал перевод статьи из журнала The Economist, который выполнил Спутник и Погром, статья называлась «Третья промышленная революция», и вы можете прочитать ее прямо здесь. После прочтения я сразу стал изучать трехмерную печать, ее перспективы в медицине и возможность применения в Ростовском государственном медицинском университете в частности. Родители над моим желанием посмеивались и намекали на то, что мне нужно развивать себя как обычного специалиста, руководство университета кормило меня обещаниями больше года, а потом заявило, что это им не интересно. Я уверен, что они эту статью прочтут и после этого задумываются над тем, какая это все-таки крутая штука, и почему университету нужно это устроить. Но не будем о грустном, это ведь обзор сияющего будущего, а вовсе не унылое нытье, поэтому будем оптимистами, ибо есть чему радоваться.

Пластмассовый мир победил

В этой статье речь пойдет о трехмерной печати и аддитивном производстве, которое постепенно начинает проникать во многие сферы нашей жизни и, разумеется, медицина не является каким-то исключением, тем более, что многие передовые технологии доставались врачам одними из первых. Процесс трехмерной печати основывается на послойном создании физического объекта, а вот методы могут быть совершенно разными, но общим для них является именно послойность, позволяющая создавать очень сложные вещи, которые на обычном станке сделать было бы непросто.Я назвал эту статью так не потому что являюсь фанатом Гражданской Обороны, а потому что этот мир действительно победил, хоть мы и не замечаем этого. Третья промышленная революция вовсю идет и успешно изменяет наш мир, идет незаметно, но очень уверенно, а самое главное, что она давно уже перестала касаться исключительно пластика, и сейчас существуют принтеры, печатающие весьма необычными материалами, от клеточной культуры до стали и шоколада.

Материалы и методы

Прежде чем писать о применении трехмерной печати, следует разобраться с тем, как же этим удивительным машинам удается переносить виртуальную модель в нашу реальность. Рассмотрим следующие методы трехмерной печати: Моделирование методом послойного наплавления (FDM), Стереолитография (SLA) и Цифровая светодиодная проекция (DLP), Электронно-лучевая плавка (EBM), Выборочная лазерная плавка (SLM), Выборочное лазерное спекание (SLS), Биопечать (bioprinting). 

Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM))

Picaso 3D Designer, когда не стыдно за отечественного производителя. Простой и дешевый метод печати различными материалами, которые поддаются плавлению при не очень больших температурах. Суть проста: материалы (в основном пластики ABS и PLA) в виде нити подаются в специальное устройство — экструдер, где они расплавляются и далее слой за слоем выдавливаются сначала на специальный стол с подогревом, а затем и на уже выдавленный пластик, остывают и создают объект. Prusa Mendel, бюджетный FDM принтер, который содержит множество деталей, которые были сами распечатаны на аналогичных принтерах, что называется технологией RepRap (Replicating Rapid-prototyper). Она позволяет распечатать самому до 50% деталей принтера. Сложные конструкции требуют построения специальных поддержек, которые могут делаться из того же материала, что и само изделие (если принтер дешевый), либо из специальных веществ, которые легко потом удалить (например PVA). Вообще, чем дороже принтер, тем больше у него область печати, скорость и количество экструдеров, но самое главное - выше точность, которая у наиболее продвинутых измеряется в десятках микрон. Не считая всяких фирменных (как у Stratasys, например) материалов, для печати используется ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол), PLA (полилактид) и нейлон. ABS при производстве выделяет токсичные пары и вообще не очень биосовместим, а вот PLA и нейлон достаточно дружелюбны, PLA, ко всему прочему, биоразлагаем, хоть и дороже ABS. Катушки с пластиковой нитью или, знакомо для медиков, филаментом.

FDM-принтеры в медицине

Обучение студентов-медиков

Напечатанный череп. Фото : https://www.flickr.com/photos/92379905@N06/ Разбитые черепа, треснувшие кости, пыльный позвоночник - нет, это не картинка из какой-нибудь игры про постапокалипсис, а типичная анатомичка в обыкновенном медицинском университете на территории России. Выход простой — 3D-принтер, печатающий по технологии FDM. Он позволит регулярно обновлять коллекцию анатомических препаратов должного качества. А ежели на кафедре есть какие-нибудь уникальные экспонаты, сделанные именитым профессором, то их можно с легкостью отсканировать (например с помощью 3D Systems Sense , недорогого и точного трехмерного сканера) и далее распечатать. И ведь дело не ограничивается исключительно анатомией: можно печатать модели белков, рецепторов, сложных молекул, клеток, бактерий, вирусов, да просто бесконечное множество чего можно распечатать! Министерство здравоохранения США открыло специальный сайт  http://old.3dprint.nih.gov/ где в огромном количестве выложены модели для медиков. Кроме того, существуют ещё множество платных и бесплатных сайтов с моделями, примером которых является www.turbosquid.com, а если и интернет не помогает, то всегда можно создать модель самому или обратиться к умеющим людям.

Визуализация томограмм

Межреберная невралгия  Врач или студент-медик получает совершенно другой уровень понимания МРТ или КТ, поскольку это больше не множество серых сканов на специальной пленке или, не дай Господь, распечатка на офисном принтере, а настоящая модель, которую можно держать в руках, вращать и смотреть под любым удобным углом. Здесь и здесь рассказывают как превратить КТ и МРТ сканы в файл, который трехмерный принтер сможет распечатать, а тут и тут продают профессиональный софт для этих целей.

Дешевые протезы рук

Современные протезы пока еще уступают механической руке Люка Скайокера, но когда-нибудь достигнут и такого уровня. Хороший протез не является дешевым, и особенно сильно это чувствуется в России, ведь огромное число инвалидов являются нищими. За рубежом дороговизна протезов также является проблемой, и поэтому энтузиасты пытаются решить это с помощью трехмерной печати. Существуют два Open Source проекта протезов рук, которые делаются на 3D-принтере, это RoboHand и Open Hand. На сайтах этих проектов выложены чертежи и инструкции, поэтому любой обладатель 3D-принтера сможет их распечатать и даже улучшить. Протезы

Ортопедические фиксаторы

"Здравпринт" отечественный ортопедический фиксатор, который распечатан на 3D-принтере Многие из вас помнят проект дизайнера Джейка Ивелла "Cortex" , он быстро разлетелся по интернету и соцсетям, многие подумали, что это фантастика, но вот появился отечественный стартап "Здравпринт", который пытается наладить производство таких фиксаторов в России, а недавно этот проект получил 100000 вечнозеленых долларов от венчурного фонда  Maxfield Capital. Так что у скептиков, доказывающих мне, что это «не взлетит» есть серьезный повод задуматься. Смысл такого устройства простой: обеспечивая должную фиксацию пораженной конечности, распечатанный фиксатор, благодаря пористой структуре, позволяет поддерживать ее в чистоте, а также обеспечивать кожу воздухом, чего даже современные полимерные фиксаторы должным образом делать не могут.

Стереолитография (англ. Stereolitography (SLA))

Стереолитографический принтер FormLabs Form One Стереолитография отличается от FDM тем, что создаваемый объект затвердевает под действием интенсивного лазерного излучения. Суть проста: есть ванночка, в ней находится жидкий фотополимер, который поднимается выше по мере создания объекта, а сверху светит лазер, который заставляет этот фотополимер затвердевать слой за слоем. Процесс этот очень точный (самые передовые принтеры дают около 16 микрон точности) и быстрый (новый принтер Carbon3D строит объекты за десятки минут, а это ОЧЕНЬ БЫСТРО в мире трехмерных принтеров). При своей точности главным недостатком фотополимеров является то, что прямой солнечный свет для них губителен, однако они обладают очень хорошей биосовместимостью и вовсю применяются в медицине, причем уже давно.

Применение SLA в медицине

Визуализация томограмм

Голландский художник Каспар Бергер распечатал собственные томограммы на SLA-принтере Как и в случае с FDM-принтерами, стереолитографические принтеры позволяют осуществлять печать томограмм и делать это с ювелирной точностью. Именно из-за своей точности такие объекты можно использовать для подгонки различных имплантов или разработки индивидуальных протезов под конкретного пациента. Кроме того, с помощью таких моделей медики могут прорабатывать ход операции. Доктор Маки Суджимото держит в руках напечатанную с помощью принтера Objet Connex модель поджелудочной железы. Фото: wsj.com

Стоматология

Межреберная невралгия  Моделируя на основе лазерного, компьютерного или магнитно-резонансного сканирования челюсть человека, стоматолог может точно подобрать диаметр коронок, проработать ход операции или изготовить форму для будущего протеза. Все это будет учитывать индивидуальные анатомические особенности пациента и потому сможет обеспечить уникальную точность последующего вмешательства.

Реконструктивная хирургия

SLA-принтер позволяет на основе КТ или МРТ сканов создать пресс-форму для будущего импланта. Фото Института нейрохирургии им.Н.Н.Бурденко, Москва

Слуховые аппараты

С помощью SLA-принтеров можно печатать каркас слуховых аппаратов либо форму для их изготовления. Каркас слухового аппарата, который был сделан на принтере Objet Eden260V  

Цифровая светодиодная проекция (англ. Digital light processing (DLP))

Pico 2 -- представитель DLP-принтеров Новая технология, которая значительно моложе стереолитографии, но отличается от нее тем, что вместо лазера используются мощные светодиоды. Светодиоды дешевле лазера, соответственно DLP принтер дешевле SLA, но при этом обладает примерно такой же точностью, что делает эту технологию интересной. Материал, как и в случае с SLA, — фотополимерные смолы. Существует отечественный проект -- Russian DLP. Потенциальное применение у цифровой светодиодной проекции такое же, как и у стереолитографии.

Heavy Metal -- технологии EBM, SLS и SLM

Черепно-лицевой имплантат, изготовленный с помощью технологии EBM на принтере Arcam До сих пор мы говорили о принтерах, которые могли печатать пластиком, но как насчет металла? Да, существуют способы печатать металлом, это Электронно-лучевая плавка (EBM), Выборочное лазерное спекание (SLS) и Выборочная лазерная плавка (SLM). Справедливости ради стоит отметить, что печать другими материалами на SLS -принтерах тоже возможна, но нас интересует суровые изделия из титана. Скептикам, которые сомневаются в прочности, стоит сказать про то, что такие монстры как NASA, Boeing и Lockheed Martin активно используют эти принтеры для ПРОИЗВОДСТВА, а не прототипирования, а это значит, что эти принтеры обеспечивают достаточную, даже экстремальную прочность у произведенных объектов. Но самым большим достоинством трехмерной печати металлами является возможность производить объекты невероятной сложности, обычный токарь Вася бы просто повесился, а здесь все, что называется, «без единого гвоздя», да ещё и дешевле, чем делать их на классических станках с ЧПУ. Но давайте поговорим непосредственно о методах печати металлом.

Выборочное лазерное спекание (анг. Selective laser sintering SLS))

Сетчатый протез "Exo", который был распечатан на SLS-принтере Под действием одного или нескольких мощных лазеров (преимущественно углекислотных) порошкообразный материал (металлы, пластик, керамика) спекается в трехмерную структуру слой за слоем. При образовании готового слоя рабочая платформа опускается, и процесс повторяется до тех пор, пока изделие не будет готово. SLS не требует никакого материала поддержки: навесные части модели поддерживаются неизрасходованным. Для повышения прочности иногда требуется дополнительный обжиг изделия.

 Выборочная лазерная плавка (англ. Selective laser melting (SLM))

Протез нижней челюсти, который был выполнен по технологии SLM В камеру, заполненную инертными газами (например, аргоном), подается порошкообразный материал, который в небольшом количестве наносится на рабочую платформу. Мощные лазеры (обычно иттербиевые) расплавляют порошок до гомогенной массы и образуют слой, далее насыпается еще порошок, и процесс продолжается до своего завершения. Отсутствие кислорода позволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан.

Электронно-лучевая плавка (англ. Electron Beam Melting (EBM))

Ацетабулярные чашечки с пористой структурой, которые были напечатаны на принтере Arcam

Принцип такой же, как и у лазерной плавки, только здесь в качестве источника лучистой энергии используются электронные пушки. Благодаря достижению высоких температур (700-1000°C) EBM-принтер производит изделия особой прочности, которые не уступают тем, что были созданы с помощью литья.

Биопечать (англ. Bioprinting))

Общие принципы для создания органов de novo. Изображение: http://old.www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4131759/ Мы подходим к, пожалуй, самой интересной части этой статьи — биопечати. Это по-настоящему фантастическая технология, которая позволяет выращивать органы или их части в лабораторных условиях, а затем пересаживать их рецепиентам. В теории это способно раз и навсегда решить проблему нехватки донорских органов, а в перспективе - делать органы даже лучше, чем их создала природа. Биопечать, наряду с другими передовыми биотехнологиями, является признаком наступающей эпохи биопанка, и это не какие-то фантазии из книг или компьютерных игр, а реальность, которая есть даже в России.

Теоретические основы биопечати

FABION -- отечественный биопринтер Заранее прошу прощения у видавших виды ученых из медицины и биологии за явное упрощение сложнейшей по своей сути технологии клеточной инженерии. Забавно, но биопринтер похож скорее на обычный принтер с чернилами (собственно, пионер биопечати Макото Накамура такой офисный принтер и использовал) чем на другие 3D-принтеры, но вместо чернил используется культура клеток (биочернила), которая принтером наносится в трех измерениях на слой так называемой биобумаги. Культура клеток представлена особыми шарообразными структурами — тканевыми сфероидами, которые затем срастаются и образуют слой ткани, подобный естественному. Четыре этапа биопечати. Изображение http://old.www.explainingthefuture.com/bioprinting.html Клеточные сфероиды могут наноситься биопринтером струйно (инкджет inkjet), подобно обычному струйному принтеру, а также с помощью микроэкструзии и лазерной печати. Микроэкструзия отличается от струйной печати тем, что использует механическую энергию (поршень, винт, воздух), тогда как при струйной печати используется тепловая энергия или пьезоэлектричество. Лазерные принтеры, используя лазеры, фокусируются на абсорбированном субстрате и генерируют давление, которое приводит в движение содержащий клетки материал, сконцентрированный в питательной среде. В качестве биобумаги используются натуральные или искусственные полимеры, а также внеклеточный матрикс, который получен методом децеллюляризации (уничтожение клеток в донорской ткани с сохранением внеклеточного матрикса в качестве каркаса). В биопечати могут применяться как дифференцированные клетки, так и мультипотентные или плюрипотентные стволовые клетки Эволюция кольца из 10 сфероидов в коллагеновом геле. На микрофотографии видно, как отдельные клеточные сфероиды полностью сливаются за 168 часов (7 суток). Сращивание клеточных сфероидов — фундаментальная основа технологии. Фото: Центр клеточной динамики университета Вашингтона, США (Center for Cell Dynamics, University of Washington) Тканевые сфероиды "дозревают" в специальных биореакторах, которые поддерживают нужную температуру, содержат питательную среду, а также полностью стерильны. Эта скромная баночка с киселем внутри есть не что иное как биореактор. Через эти трубки туда подается специальная среда для роста клеток. Дело происходит в лаборатрии компании Organovo и в этой баночке растет кровеносный сосуд. Фото: Dave Bullock/Wired.com В качестве примера интересных разработок можно упомянуть проект создания искусственного глаза и сердца. Помимо трансплантации, биопечать также позволит тестировать новые препараты не на животных, а на изолированных человеческих органах и тканях, что будет являться прорывом в фармакологии.

Медицина в эпоху Третьей промышленной революции

Пока ещё сложно сказать, насколько сильно и как быстро технологии аддитивного производства изменят медицину. Ученым, обычным врачам и инженерам придется решать множество задач, которые позволят это сделать быстрее. Увы, но на сегодняшний день множество принтеров являются чрезвычайно дорогими (хороший FDM принтер стоит как минимум 100.000 рублей, а цены на биопринтеры и принтеры по металлу измеряются миллионами рублей), причем не только из-за своей сложности, а ещё и из-за патентов. Однако у патентов есть свои сроки, например, технология FDM раньше была эксклюзивом компании 3D Systems, но затем патент кончился, и теперь такие принтеры можно найти дешевле тысячи долларов за штуку, то же самое ожидает и другие технологии, которые принадлежат различным компаниям. Кроме того, растущая конкуренция, обилие энтузиастов, а также прогресс в технологиях производства способствуют удешевлению принтеров. Что касается биопечати, то перед биоинженерией стоит задача научиться делать адекватную васкуляризацию и иннервацию у выращенных тканей и органов, одним из предполагаемых методов является создание зачатков сосудов и нервов непосредственно в сфероидах. Пока что еще не всё ясно с образованием злокачественных опухолей у искусственных органах и тканях, однако такие ученые как Владимир Миронов (руководитель «3D Bioprinting Soltuions») считает, что контроль за клетками позволит снизить риск онкообразования до минимума. В этой статье мы коснулись лишь самой поверхности технологии трехмерной печати и упомянули только наиболее распространенные методы и материалы. А ведь этих материалов с каждым днем становится все больше, так в Оксфорде разработали полимер OXPEKK (на основе полиэфиркетонкетона), который служит синтетическим аналогом кости и уже прошел проверку американской FDA. То и дело в новостях всплывают сообщения о том, что ученые, в той или иной стране, имплантировали что-то напечатанное на принтере (как в случае с черепом) или разработали новую технологию (тот же сверхбыстрый Carbon 3D), что говорит о стремительном развитии этой отрасли. Конечно, этой технологии необходимо пройти длинный и тернистый путь от идей до массового распространения, но в целом, уже сейчас можно утверждать, что тот самый «пластмассовый мир» (печать всего и вся) победил, а «макет оказался сильней» (CAD файл на компьютере). Автор: Сергей Ткачев

Использованные материалы

1. http://old.optimedi.pl/3d-printing.asp
2. sputnikipogrom.com/special/revolution/
3. http://old.thinkprogress.org/health/2013/05/23/2054281/promising-uses-3d-printing-medicine/
4. http://old.sputnikipogrom.com/economics/7898/7th/#.VVipbPntmkr
5. http://old.3dprint.nih.gov/
6. Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses C. Lee Ventola, MS http://old.www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4189697/#b6-ptj4910704
7. http://old.www.stratasys.com/resources/case-studies/medical/acist-medical-systems
8. http://old.www.fesmu.ru/elib/Article.aspx?id=76976
9. http://old.www.laser.ru/science/scien21_50.html
10. Application and success of two stereolithographic surgical guide systems for implant placement with immediate loading. Abboud M, Wahl G, Guirado JL, Orentlicher G. http://old.www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22616058
11. http://old.wiki.laser.ru/index.php/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D1%8F:%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%8B_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B9_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%BD%D1%8B
12. http://old.geektimes.ru/post/208906/
13. http://old.www.javelin-tech.com/3d-printer/materials/polyjet-photopolymer/hearing-aid/
14. http://old.journal.hep.com.cn/fme/EN/10.1007/s11465-013-0248-8
15. http://old.www.metal-am.com/articles/002735.html
16. http://old.www.drdougerickson.com/prosthodontic-techonology-duluth/implant-surgical-guides.html
17. http://old.3dwiki.ru/kompaniya-stratasys-vypustila-novyj-3d-printer-dlya-stomatologii/
18. http://old.www.print-your-world.com/uncategorized/does-the-solus-dlp-3d-printer-stand-alone/
19. http://old.3dtoday.ru/wiki/EBM_print/
20. http://old.3dtoday.ru/wiki/SLS_print/
21. http://old.3dtoday.ru/wiki/SLM_print/
22. http://old.3dprofy.ru/cifrovaya-svetodiodnaya-proekciya-dlp-v-3d-pe/
23. http://old.3dtoday.ru/wiki/DLP_print/
24. http://old.3dtoday.ru/wiki/FDM_print/
25. http://old.3dtoday.ru/wiki/SLA_print/
26. http://old.www.radionetplus.ru/teksty/poznavatelnye/46212-zachem-nuzhny-3d-printery.html
27. http://old.www.impactlab.net/2008/11/09/emerging-field-of-organ-printing/
28. 3D Biofabrication Strategies for Tissue Engineering and Regenerative Medicine Piyush Bajaj, Ryan M. Schweller, Ali Khademhosseini,Jennifer L. West, and Rashid Bashir http://old.www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4131759/
29. http://old.elementy.ru/lib/432228?context=369876
30. http://old.www.bioprinting.ru/
31. http://old.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=88725#.VVtgerntlHw
32. http://old.en.wikipedia.org/wiki/Decellularization
33. http://old.www.explainingthefuture.com/bioprinting.html
34. http://old.www.wired.com/2010/07/gallery-bio-printing/7/
35. 3D bioprinting of tissues and organs Sean V Murphy & Anthony Atala http://old.www.nature.com/nbt/journal/v32/n8/abs/nbt.2958.html