Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
12:56
28 августа
Наука

Когда 3D-принтеры смогут решить проблему с медицинскими протезами в России

Лекция о преимуществах использования аддитивных технологий
2 025
1
Расписание
Следующий выпуск
10 декабря 16:00
суббота: 16:00
воскресенье: 02:00, 10:00, 16:00
понедельник: 02:00, 06:00
вторник: 11:00

Павел Вопиловский о печати медицинских протезов на 3D-принтере и первых хирургических операциях с использованием аддитивных технологий.

Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука». 

Наиболее перспективное использование аддитивных технологий на сегодняшний день — это использование их в медицине. Предпосылок для этого существует множество. Не надо забывать, что аддитивное производство на сегодняшний день достаточно дорогостоящее. Но и здоровье, и жизнь человека стоят немалых денег, и на это стоит потратиться. Это, наверное, главная причина. А вторая причина — что нет двух одинаковых человек, невозможно получить даже два одинаковых отпечатка. Поэтому, учитывая, что здесь можно сделать индивидуальный протез для каждого конкретного пациента, это наиболее значимый фактор в использовании именно этой технологии для медицины. Но на сегодняшний день, к сожалению, активного движения нет, оно только начинается. Работы в этой части мы уже проводили. Наш университет, Институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена и ЛЭТИ провели совместную работу (первую, наверное, в стране), которая получила возможность напечатать имплантат из титана. И достаточно большая заслуга в этом врачей, главную часть нагрузки взяли на себя именно специалисты из института Вредена, они консультировали нас в этой части и провели операцию в октябре 2015 года. Первая итерация прошла успешно. Там у женщины была серьезная травма: разрушен тазобедренный сустав, от него остались практически только части.

После этой работы мы получили возможность собрать этот сустав в одно целое, провести операцию, и женщина стала ходить, что немаловажно. Сейчас она еще проходит реабилитацию. Прошло время, но результат достаточно положительный. Большую лепту внесли специалисты из ЛЭТИ: моделирование, обработку компьютерных томограмм и все, что связано с расчетами прочности, проводили они. А наш институт занимался непосредственно изготовлением, проработкой технологической части. Много вопросов решили по корректировке самой модели. Как мыслится вся идеология: врачи дают нам компьютерную томограмму (это полученный с томографа снимок той части, которую надо оперировать), и мы по этому снимку получаем макет кости. Здесь большая проблема заключается в том, что сама кость, сухожилия, остатки от предыдущих имплантатов (если это, как правило, вторичная операция, ревизионная), так называемый костный гипс — все они очень близки по плотности, на томограмме их различить тяжело. Если металлические детали я вычленяю, то хрящевую ткань, заменитель кости и саму кость, расположенные очень близко, надо разделять. В этой части была проделана большая работа, научились получать достаточно хороший результат. Вы видите разрушенную кость человека в виде макета, напечатанного на принтере из полиамида. По тому, что осталось от кости, врачи совместно с технологами проектируют имплантат, то, что будет потом вставляться в виде металла. Мы получаем его в виде пластика.

Дальше проводятся корректировки по позиционированию на кость. Он должен лечь туда как пазл. Затем врачи делают эту операцию на столе, проводят ее вручную, как на макете. Исключаются все негативные факторы, которые могли бы возникнуть во время операции. После того как операция проведена на столе, мы получаем добро на то, что его можно печатать. Печатаем его из металла. Для этого, кстати, была проделана большая работа. У нас в стране появился один из разработчиков порошка для принтеров, печатающих металлом, который предоставил нашему институту такой порошок. Не хочу, чтобы это звучало как реклама, но, действительно, это очень здорово, когда у нас появляются российские производители достаточно дорогого оборудования и дорогих материалов, которые можно использовать в современных технологиях. Это компания «Нормин», они предоставили нам порошок и напечатали первые образцы бесплатно, в качестве помощи. И самое интересное, что представители компании приезжали к нам, интересовались этим порошком, потому что по качеству он превосходит зарубежные. Это очень большой сдвиг.

Но я хотел бы вернуться к проблематике протезирования. Я рассматриваю только частичный случай — протезирование тазобедренного сустава. На самом деле поле деятельности достаточно широкое: коленные суставы, позвоночники, челюстно-лицевая хирургия. Там бывает очень много проблем у людей после операций, которые проводили либо после сильных травм, либо после рака, когда удаляется часть кости и нужна замена. То есть для человека это очень существенное облегчение. Потребность в операциях такого рода — порядка 500 тысяч по стране. Это только первичные операции. С каждым годом приходится делать операций все больше и больше, потому что нарастают, как снежный ком, вторичные операции. И если в первом случае я поставил маленькую чашечку, которая становится больше и больше, то потом я уже не могу ставить, потому что некуда. В этом случае использование аддитивных технологий позволит, во-первых, уменьшить время операции. Во-вторых, такой имплантат ложится как пазл, он встает ровно, здесь нет никаких обтачиваний, подборок по месту этих чашек. И если вернуться к началу, то не стоит забывать, что это индивидуально каждому, нет двух одинаковых человек, и, даже если взять тазобедренный сустав, справа и слева, это будут разные кости.

Здесь наиболее оптимальный вариант использования такой технологии — это когда мы под каждого конкретного человека делаем индивидуальное изделие (в данном случае — протез). Мы получили имплантат, который соответствует форме кости человека, но на этом работу нельзя считать законченной, потому что есть еще много направлений, которые позволяют двигаться дальше. То, что я держу в руках, — это пластиковый вариант, он не совсем ровный, это специальное покрытие, причем покрытие не просто шершавое. Здесь, например, двуслойный ряд сетки, специальная структура, обеспечивающая максимальное соединение имплантата и кости человека. Если вы внимательно посмотрите на имплантат сзади, то вот чашка, которую извлекали из кости человека под вторичную операцию (первичная операция уже прошла). Врастание кости обеспечивается достаточно глубоко. Это такая сетка, которая позволяет сделать процесс более глубоким. Мы не просто создали чашку, которую вставили стандартно, а она еще обеспечивает достаточно прочное соединение с костью. Если эту тематику развивать дальше, то можно попробовать получать покрытия со специальными функциями. В части работ, которые мы ведем дополнительно, у нас есть еще совместная лаборатория со Швейцарией по линии RASA (это ассоциация русскоговорящих ученых за рубежом), а также МашТех — вместе со швейцарской компанией создана совместная лаборатория, называющаяся «Функциональные покрытия».

Она сейчас занимается тем, что, во-первых, создает разного рода напыления и покрытия, в том числе для медицины. И речь здесь может пойти об использовании покрытий нового типа, но пока это в стадии осмысления, проработок, но в перспективе это может быть так называемое умное покрытие. Есть такой материал, как полипиррол, который тонкой пленкой наносится на имплантаты или то, что используется в медицине, на приборы, интегрирующиеся в человека. В чем его суть? Создается пористая структура, на которую наносится пленка, в этой пленке находится, скажем, антибиотик или какие-то вещества, ускорители роста. И самое интересное, что это можно дозированно вводить в тело человека. Внешне это выглядит как физиотерапия, которая используется. То есть имплантат уже стоит внутри, и подается силовое поле, которое позволяет дозированно вводить лекарства в организм. С одной такой пленки можно получить такое порядка 30–40 раз. Вводим антисептики, что позволяет сохранить протез, если что-то пошло не так. Мы добавляем какие-то вещества, которые могут ускорить рост. Применений может быть очень много, это врачам будет виднее.

Наша задача — научиться наносить такие покрытия на поверхность. Это достаточно новое применение, и хотелось бы в этой части еще поработать. Пока, к сожалению, это только в планах на будущее. А сейчас уже первая операция проведена благодаря врачам из института Вредена. Они делают очень многое. Дело в том, что, к сожалению, мы не можем получить консультации от зарубежных коллег. Это стараются пока не афишировать. Врачи между собой как-то общаются, но по части технологии здесь, к сожалению, не все так просто: это все-таки коммерция, потому что операция по установке тазобедренного сустава в Европе стоит порядка от 15 до 20 тысяч евро в зависимости от сложности. Мы должны выйти на более низкие цены, на отечественные материалы и, соответственно, внести что-то новое, что отличает нас от коллег за рубежом. Но в этом направлении мы работаем. В идеале было бы просто получить компьютерную томограмму пациента, провести ряд расчетов, чем занимался у нас раньше ЛЭТИ. Может быть, это вырастет в какие-то компьютерные программы, которые позволят создать этот протез в полости, минуя врача, и он будет только его согласовывать. Провести расчеты по нагрузкам.

А сегодня пока нужно решить проблему просто с внедрением такой технологии в медицинских учреждениях. Может быть, не везде можно поставить 3D-принтер, тем более те принтеры, которые печатают металлом. Но врачи могут послать с какого-то далекого места в стране такую компьютерную томограмму в какой-то центр, где бы ее обработали, получили трехмерную модель, получили консультацию по созданию такого имплантата, вырастили его, отправили в эту больницу или клинику и там его установили. Я думаю, за этим недалекое будущее.

Фото: DepositPhotos