2021 г. объявлен Годом науки и технологий, а месяц июнь тематически посвящен новым производственным технологиям и материалам. Такие, например, цифровые новшества или новые материалы развиваются со скоростью света. Наши вчерашние представления о том, что хирургические операции в очках дополненной реальности или напечатанные зубные протезы, уже давно перестали быть чем-то фантастическим. Эра digital добралась и до медицины.
Начать био- и 3D-печать
Искусственное создание человеческой кожи, тканей и внутренних органов – вполне реалистичная задача для современной науки. 3D-печать и биопечать открывают новую веху для лечения пациентов и научных исследований.
Биопринтер FABION печатает биочернилами
Работает все так
Привычные офисные принтеры печатают в двух измерениях: текст создается на плоской поверхности, обычно на бумаге. Используются размеры: x (горизонтальный) и y (вертикальный).
А в 3D-принтерах добавляется, еще одно измерение — глубина (z).
Во время печати элементы принтера перемещаются не только вверх и вниз, но и влево и вправо, вперед и назад. Вместо доставки чернил на бумагу распределяются особые материалы — полимеры, металл, керамика и другие. Создание целостного объемного предмета происходит слой за слоем, и называется «аддитивное производство».
Но прежде, чем создать такой объект, изготавливают его цифровой план – 3D-модель, которая затем отправляется на принтер. В котором уже «подготовлен» и готов к нагреву материал. Принтер читает 3D-план, а его подвижные элементы последовательно наносят слои выбранного вещества. Затем слои превращаются в твердую форму одним из нескольких способов: либо путем охлаждения, либо за счёт смешивания двух разных растворов. Несколько таких слоев один за одним превращаются в связный элемент.
Биопринтеры работают так же, но ключевое отличие кроется в слоях биоматериала – в нем могут быть живые клетки. Они нужны для создания сложных структур. Например, кровеносных сосудов или тканей кожи. Клетки используются живые и самые настоящие. Их берут у пациента, а затем культивируют до тех пор, пока их не станет достаточно для создания «био-чернил» для принтера.
Напечатанные органы
С механизмом печати все ясно, теперь о применении.
Такие 3D-модели чрезвычайно важны во время проведения операций. Они могут помочь в планировании проведения процедуры, выборе наиболее оптимального пути проведения операции, в учете сложностей, которые могут возникнуть в процессе.
Марк Берри, специалист Стэнфордского университета, утверждает, что вместо того, чтобы полагаться на удачу и опыт, лучше иметь возможность предварительно спланировать операцию от начала и до конца.
Распечатанные 3D-модели могут быть подключены к «насосу», который имитирует кровоток. Это дает врачам больше возможностей – они могут экспериментировать с различными путями проведения эндоваскулярных процедур – лечение сердечно-сосудистой системы без разрезов.
Первое в мире сердце, напечатанное на 3D-принтере, создала группа ученых Высшей технической школы Цюриха Швейцарии в 2017 году. Вес его прототипа – всего 390 грамм. Миниатюрное сердце выдерживает около трех тысяч сокращений, а создано полностью из человеческих жировых клеток и соединительной ткани. Изобретение отличается от предыдущих аналогов тем, что при его создании не применяли синтетические вещества. Сердце состоит из двух желудочков, разделенных специальной камерой, которая заменяет сердечную мышцу. Воздушный насос помогает камере сдуваться и надуваться, позволяя жидкости перекачиваться через сердце
В 2018 году биоинженеры Ньюкаслского университета США создали роговицу человеческого глаза. Ученые взяли за основу стволовые клетки здорового донора роговицы, добавили к ним альгинат и коллаген. Полученные «биочернила» оказались оптимально подходящими для печати. Затем за 10 минут на простом университетском 3D-биопринтере врачи распечатали формы, аналогичные человеческим роговицам.
Напечатать можно даже кости скелета. Такую технологию разработала команда из Университета Суонси. В результате получился искусственный костный протез из биосовместимого материала, – долговечного и регенеративного. Кстати, чтобы
напечатать небольшую кость, нужно всего около двух часов. После этого часть кости покрывается стволовыми клетками взрослого человека, способными развиваться практически в любой другой тип клеток. Это сочетается с био-чернилами из принтера: полимолочная кислота (для прочности) и альгинат (для амортизации клеток). Такой продукт имплантируется в организм, а в течение примерно трех месяцев он и вовсе исчезнет – происходит замена на новую кость.
Виртуальное (реальное)
В медицине свое применение находят технологии дополненной реальности, которые используются не только для точной постановки диагноза, но и для подготовки специалистов.
«Заглянуть» в тело пациента помогают специальные мобильные приложения. Программа MITK pille для iPad разработана специально для хирургов, которые прямо во время операций могут увидеть внутренние органы пациента. Это происходит благодаря тому, что виртуальный образ внутренних органов накладывается на реальный образ через камеру iPad.
Другое технологическое решение по анатомии в помощь врачам – приложение «3d4medical». Оно содержит множество качественных иллюстраций и анимаций. Приложение строит 3D модель прямо перед глазами пользователя, используя технологию дополненной реальности.
Фото на странице и на главной странице сайта: Елена Либрик / «Научная Россия»
