Скелет у 3D: як надрукувати кістки
Щорічний бюджет медичних центрів в Європі, США і Японії, що займаються проведенням фундаментально-прикладних досліджень в області тканинної інженерії, становить сотні мільйонів доларів. У Росії, на жаль, виробництво функціонально-орієнтованих біоматеріалів нового покоління знаходиться все ще в зародковому стані, а промислові технології виготовлення з них інженерних конструкцій для регенерації різних кісткових дефектів практично відсутні.
На підставі накопиченого клінічного досвіду, біологічних знань і досвіду роботи з біоматеріалами були сформульовані основні загальні вимоги до біоматеріалів. А саме, вони повинні:
• відповідати кісткової тканини по мінеральному складу і механічних характеристиках;
• мати кінетику біодеградації (розчинення), коррелирующую з кінетикою утворення кісткової тканини de novo (для біодеградіруемих матеріалів);
• бути остеокондуктівнимі, а в ідеальному випадку - і остеоіндуктівнимі, тобто формують біологічні стимули для остеогенезу, і бути придатним для комбінування з біологічно активними компонентами, що підсилюють регенеративний потенціал імплантується системи.
Вимогу біологічної сумісності і остеокондуктивних задовольняють матеріали на основі синтетичних форм фосфатів кальцію - біокераміка, а також різні природні і синтетичні полімери.
Для виготовлення персоналізованих тривимірних структур заданої архітектури з таких матеріалів в світі все частіше використовують технології адитивного виробництва (зокрема, технології 3D-друку), засновані не на видаленні матеріалу з заготовки (точіння, фрезіровка) або зміні її форми (деформація, штампування), а на поступове нарощування (додаванні) матеріалу в заданій області простору. Ці технології базуються на пошаровому формуванні об'ємних виробів з їх тривимірним комп'ютерним образам.
Методологія адитивного виробництва досить проста і включає в себе наступні стадії:
1) створення комп'ютерної моделі необхідного матеріального об'єкта;
2) поділ комп'ютерної моделі на шари;
3) послідовне, шар за шаром, виготовлення твердого об'єкта необхідних розмірів, форми і внутрішньої структури із застосуванням різних фізико-хімічних методів (наприклад, лазерної стереолітографії, селективного лазерного спікання і т.д.).
Модель може бути сконструйована за допомогою різних програм тривимірного проектування з подальшим перетворенням отриманих файлів в формати, які використовуються для формування вироби. Крім того, отримані файли можуть передаватися безпосередньо в керуючий комп'ютер системи швидкого прототипування.
Перевага швидкого прототипування стає особливо очевидним при його використанні разом з сучасними методами медичної діагностики. Тривимірна модель органу або фрагмента тканини реального пацієнта може бути отримана на рентгенівському томографі. Потім можна оперативно виготовити її точну копію або копію, придатну для імплантації без додаткової підгонки. Можна додатково ввести або прибрати певні деталі, створити необхідну архітектуру.
Весь процес від початку отримання томограми до закінчення виготовлення імплантату займе всього кілька годин.
В останні роки, у зв'язку з «вибуховим» розвитком матеріально-технічної бази тривимірного друку і стрімко дедалі більшій кількості дослідницьких груп, число робіт і багатообіцяючих результатів в області створення матеріалів для реальних технологій адитивного виробництва індивідуальних імплантатів на основі кераміки та полімерів різко зросла. Можна сподіватися, що вже скоро нові матеріали і технологія тривимірного друку дозволять вирішити багато проблем в області ортопедії, стоматології, щелепно-лицевої хірургії, нейрохірургії та онкології.
