Что такое 3D печать и 3D принтер

Что такое 3d принтер?

В основу принципа работы 3d принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определённого материала, о котором будет сказано немного позже. Преимущества 3D печати перед привычными, ручными способами построения моделей — высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость. Например, для создания 3D модели или какой-либо детали вручную может понадобиться довольно много времени — от нескольких дней до месяцев. Ведь сюда входит не только сам процесс изготовления, но и предварительные работы — чертежи и схемы будущего изделия, которые всё равно не дают полного видения окончательного результата. В итоге значительно возрастают расходы на разработку, увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства. 3D технологии же позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге — ведь программа позволяет увидеть модель во всех ракурсах уже на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов. При этом возможность ошибок, присущих ручной работе, практически исключается.

Что такое 3d принтер: видео

Существуют различные технологии трёхмерной печати. Разница между ними заключается в способе наложения слоёв изделия. Рассмотрим основные из них. Наиболее распространенными являются SLS (селективное лазерное сплетение), НРМ (наложение слоев расплавленных материалов) и SLA (стереолитиография). Наиболее широкое распространение благодаря высокой скорости построения объектов получила технология стереолитографии или SLA.

Технология SLA

Технология работает так: лазерный луч направляется на фотополимер, после чего материал затвердевает.

В качестве фотополимера могут использоваться самые разные материалы. Их физико-механические характеристики могут сильно различаться между собой. Однако ни одному производителю пока не удаётся создать действительно прочный материал. Характеристики смол по прочности сравнимы с эпоксидной смолой.

После отвердевания он легко поддаётся склеиванию, механической обработке и окрашиванию. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.

Технология SLS

Спекание порошковых реагентов под действием лазерного луча – оно же SLS — единственная технология 3D печати, которая применяется при изготовлении форм, как для металлического, так и пластмассового литья.

Пластмассовые модели обладают отличными механическими качествами, благодаря которым они могут использоваться для изготовления полнофункциональных изделий. В SLS технологии используются материалы, близкие по свойствам к маркам конечного продукта: керамика, порошковый пластик, металл.

Устройство 3d принтера выглядит следующим образом: порошковые вещества наносятся на поверхность элеватора и спекаются под действием лазерного луча в твёрдый слой, соответствующий параметрам модели и определяющий её форму.

Технология LCD

Ещё недавно, около 2017 года, 3d-принтеры для печати фотополимером были дорогими. Однако изобретение печати на основе проницаемых матриц LCD изменило ситуацию в корне. На середину 2019 года можно приобрести фотополимерный 3d-принтер хорошего качества примерно за 30 000 рублей.

LCD матрица для 3d принтера представляет из себя экран по аналогии с экраном сотового телефона. Сама по себе такая матрица не излучает свет. Она может только изменять степень светопропускания в различных областях. Так формируется картинка слоя печати. А вот источник излучения находится за lcd матрицей. Таким образом для создания подобного 3д-принтера нужно было всего лишь заменить лампу-излучатель на источник ультрафиолетового излучения. Напомним, что подавляющее большинство фотополимеров застывают под действием именно УФ излучения.

Технология DLP

Технология DLP – новичок на рынке трехмерной печати. Стереолитографические печатные аппараты сегодня позиционируются, как основная альтернатива FDM оборудованию. Принтеры данного типа используют технологию цифровой обработки светом. Многие задаются вопросом, чем печатает 3d принтер данного образца? Вместо пластиковой нити и нагревающей головки для создания трехмерных фигур используются фотополимерные смолы и DLP-проектор. Ниже вы можете увидеть, как работает 3d принтер видео:

Впервые услышав про DLP 3d принтер, что это такое – вполне резонный вопрос. Несмотря на замысловатое название, устройство почти не отличается от других настольных печатных аппаратов. К слову, его разработчики, в лице компании QSQM Technology Corporation, уже запустили в серию первые образцы высокотехнологичного оборудования. Выглядит оно следующим образом:

Технология EBM

Стоит отметить, технологии SLS/DMLS – далеко не единственные в области печати металлом. В настоящее время для создания металлических трехмерных объектов широко используется электронно-лучевая плавка. Лабораторные исследования показали, что использование металлической проволоки для послойного наплавления при изготовлении высокоточных деталей малоэффективно, поэтому инженеры разработали специальный материал – металлоглину.

Металлическая глина, использующаяся в качестве чернил во время электронно-лучевой плавки изготавливается из смеси органического клея, металлической стружки и определенного количества воды. Для того чтобы превратить чернило в твердый объект, его нужно нагреть до температуры, при которой клей и вода выгорят, а стружка сплавится между собой в монолит.

Принцип работы 3D принтера

Это устройство, которое позволяет из расходного материала создавать объёмные предметы разной степени сложности. Эти объекты должны быть смоделированы в специальной CAD-программе и переданы на печать в виде файла определённого формата.

• Принцип работы 3D принтера
• Основный принцип работы
• Фотополимерная печать
• Как устроен 3D-принтер
• Как происходит печать
• Области применения 3D-печати
• Конструктивные особенности 3D-принтеров
• Слой за слоем: как работает 3D-принтер

Основный принцип работы

• на компьютере в специальной CAD-программе моделируется объект;
• готовый объект, сохраненный в специальном формате, нарезается программой — слайсером, которая идет в комплекте с устройством, причём толщина каждого слоя определяется возможностями 3д-принтера и выбранными настройками;
• каждый слой переводится в двоичный командный код, который получает устройство, и в соответствии с которым, согласно координатам, наносится слой материала;
• слой за слоем формируется объект.

Технологии трёхмерной печати

Существует довольно большое число технологий, применяемых в 3D-печати. От технологии и технология зависят от используемого для печати материала.

В настоящее время для этого можно использовать: пластиковые нити, фотополимерные смолы, металлические порошковые сплавы; гипсовый композитный порошок, воск, а также разные строительные и кулинарные смеси.

Наиболее известны следующие технологии 3D-печати:

• FDM;
• SLS и SLM;
• ламинирование;
• фотополимерная печать;
• печать гипсом;
• строительная печать бетонной смесью и другие.

Послойное наплавление

Наиболее простая и популярная технология печати – это FDM или технология послойного наплавления.

Она подразумевает подачу пластиковой нити к специальному нагревательному элементу.

Посредством экструдера расплавленный пластик наносится в заданной печатной области. Экструдер закреплён на печатной головке, которая перемещается по рабочей зоне печати в горизонтальной плоскости. Как только слой будет напечатан, рабочая платформа опустится на величину слоя и работа продолжится снова.

Этот тип печати является наиболее доступным. И устройства, основанные на нём, стоят дешевле всего. Именно поэтому такие 3D-принтеры являются самыми востребованными для домашне-бытовых целей, то есть персонального использования.

Фотополимерная печать

Фотополимерная печать осуществляется несколько иначе. Материал также наносится послойно, но он изначально находится в жидком состоянии в специальной ванне. Слой за слоем на материал воздействует лазерный или ультрафиолетовый луч, и платформа поднимается вверх. То есть объект как бы выращивается. Под действием излучения материал полимеризуется и твердеет.

Так как такая технология позволяет получать изделия с высочайшей точностью, в том числе и тонкостенные, то она является более перспективной и обладает более широкими возможностями. Именно она используется на сложных производствах и предприятиях.

Востребованы подобные устройства и в медицинской сфере, открывая широчайшие возможности изготовления высокоточных хирургических шаблонов и даже протезов.

Как устроен 3D-принтер

Общая схема, по которой работают все 3D-принтеры, основана на возможности линейно двигаться в трех измерениях.

Приборы оснащают высокоточными шаговыми двигателями и контроллером, отвечающим за порядок перемещения этих двигателей.

Автоматизированная система передвигает печатающую головку, в нужный момент выдавливая материал (например, расплавленную пластмассу).

Слой за слоем создается фигурка, изначально заложенная в программу.

В основе лежит принцип работы «картезианского робота» (устройство, способное передвигаться по картезианским координатам, более известным каждому школьнику, как Декартовы координаты – X, Y, Z).

Примерная схема печатающей головки 3d принтера

• Экструдер. Именно эта деталь чаще всего совершенствуется в новых моделях и считается самой сложной и тонкой частью механизма. Состоит из термальной головки и привода, выдавливающего нить пластика. Работает так: в принтер заправляется катушка с нитью, привод разматывает и выталкивает ее, подавая к термальной головке (называемой также камерой). Головка обычно представляет собой нагреваемый алюминиевый элемент, который расплавляет нить. В полужидком состоянии вещество выдавливается через отверстие печатающей головки.
• Линейный двигатель. От его разновидности зависит скорость печати 3D-принтера и долговечность устройства. Для каждой оси координат используется отдельный гладкий стержень, работающий вместе с подшипниками. Подшипники бывают пластиковыми, стальными, бронзовыми и т.д. Бронзовые сложнее всего калибровать во время сборки, но зато они менее шумные.
• Фиксаторы. Чтобы линейные приводы не выходили за пределы рабочего поля, нужны ограничители – фиксаторы. На функциональность работы они не влияют, но их наличие делает печать значительно более точной и аккуратной. Встречаются модели с оптическими или механическими фиксаторами.
• Платформа. Поверхность размером 100-200 кв.мм., на которой будет создаваться готовая фигура. Производители обычно делают платформу подогреваемой – это нужно, чтобы не допустить трещин или разрывов на модели, обеспечить сцепление между отдельными слоями, а также между первым слоем и самой платформой. Площадка изготавливается обычно из алюминия или стекла – вещества с хорошей проводимостью тепла.

Как происходит печать

Программное Обеспечение для 3d принтера

Сначала с помощью специального программного обеспечения создается модель будущего объекта, затем ее загружают в принтер, который по описанной выше технологии создает физический объект.

Такой способ называется прототипированием. Но сейчас есть еще несколько принципов работы 3D-принтеров, разработанных на его основе:

• Стереолитография (SLA). В роли основного материала выступает смесь жидкого полимера со специальным реагентом, служащим для отвердевания пластика (напоминает эпоксидку). Ультрафиолетовый лазер отвечает за полимеризацию смеси в нужный момент. Фигура строится на подвижной платформе, соединенной с небольшим «лифтом», перемещающим заготовку вниз или вверх на расстояние одного слоя. Когда лазерный луч погружается в полимер, то останавливается на местах, которые должны затвердеть. После формирования слоя лифт поднимает или опускает заготовку.
• Выборочное лазерное спекание (SLS). Не секрет, что технологии 3D-печати внедрены уже почти во все области производства. Не стала исключением и металлообработка, именно здесь применяется метод SLS. В качестве материала выступает композитный порошок, содержащий в составе частицы размером 50-100 мкм. Порошок равномерно наносится слой за слоем, после чего «запекается» лазером. Технология очень экономичная и практически безотходная, если сравнивать с традиционной резкой, литьем, фрезеровкой, сверлением и т.д.
• Многоструйное моделирование. Уникальная разработка американской компании 3D Systems, похожая на стандартную струйную печать в обычных принтерах. В процессе задействовано несколько десятков или даже сотен сопел, которые рядами выстроены на печатающей головке. «Чернила» нагреваются, слоями опускаются на рабочую поверхность, затем отвердевают при комнатной температуре.

Это лишь основные и наиболее распространенные методы, на самом деле существует масса более редких, узкоспециализированных вариантов – например, УФ-облучение через фотомаску (SGC), послойное склеивание пленок, склеивание порошков, ламинирование листовых материалов (LOM) и другие.

Области применения 3D-печати

Технология нашла применение практически во всех сферах деятельности человека:

• образовании;
• архитектуре;
• науке;
• машиностроении;
• медицине;
• кулинарии;
• приборостроении;
• производстве одежды и обуви.

Шоколадный 3d принтер

Пицца, распечатанная на 3d принтере

Макет дома, распечатанный на 3d принтере

Автомобиль, распечатанный на 3d принтере

Чем 3D-печать полезна медицине?

• Высокая точность 3D-печати костей скелета или областей мозга с новообразованиями помогают врачам и студентам медицинских вузов изучать материал, практиковаться и планировать хирургические манипуляции.
• Изготовление имплантатов и протезов на заказ по индивидуальным анатомическим параметрам пациента упрощает работу врача и повышает приживаемость имплантата или протеза.

• Создание новых тканей и органов на основе клеток пациента, или биопечать, дает надежду врачам и пациентам на решение проблемы нехватки доноров и материала для пересадки органов и тканей.

  Ухо, выращенное на основе клеток пациента, в лаборатории института Уэйк Форест. Источник фото: National Geographic

За 16 лет применения 3D-печати в медицине врачи во всем мире провели сотни успешных операций, а ученые продолжают исследовать возможности технологии. Западные исследователи назвали 2016 год переломным для аддитивного производства в медицине. Об открытиях, примерах и возможных вариантах использования технологии 3D-печати в здравоохранении мы продолжим рассказывать в разделе Новости.

Использование 3D-печати в медицине 

Источник: docwirenews.com

3D-печать применяется в медицине с начала 2000-х годов, когда эта технология впервые использовалась для изготовления зубных имплантатов. С тех пор применение 3D-печати в медицине значительно расширилось: врачи со всего мира описывают способы использования 3D-печати для производства ушей, деталей скелета, дыхательных путей, челюстной кости, частей глаза, клеточных культур, стволовых клеток, кровеносных сосудов и сосудистых сетей, тканей и органов, новых лекарственных форм и многого другого. 

Источник: zortrax.com

Использование файлов с моделями для 3D-печати дает возможность для обмена работами среди исследователей. Вместо того, чтобы пытаться воспроизвести параметры, описанные в научных журналах, врачи могут использовать и модифицировать готовые 3D-модели. С этой целью в 2014 году Национальные институты здравоохранения учредили биржу 3dprint.nih.gov, чтобы содействовать обмену 3D-моделями с открытым исходным кодом для медицинских и анатомических изделий, нестандартного оборудования и макетов белков, вирусов и бактерий.

Источник: 3dprint.com

Современное медицинское использование 3D-печати можно разделить на несколько широких категорий: изготовление тканей и органов, создание протезов, имплантатов и анатомических моделей, печать инструментов и фармацевтические исследования. 

 Подготовка к операциям и обучение студентов

Источник: 3dprint.com

Учет индивидуальных различий и особенностей анатомии конкретного человеческого тела дают возможность использовать напечатанные 3D-модели для подготовки хирургических операций. Наличие у врача осязаемой модели органа конкретного пациента, сделанной например по результатам КТ (компьютерной томографии) для изучения или для имитации операции, существенно снижает риск врачебных ошибок. 

Источник: openbiomedical.org

Использование 3D-моделей для тренировки хирургов и студентов предпочтительнее, чем обучение на трупах, так как не создает проблем в отношении доступности и стоимости объектов. Трупам часто не хватает соответствующей патологии, поэтому они больше подходят для уроков по анатомии, чем для представления пациента с соответствующим изучаемой теме нарушением. С помощью 3D-печати можно создать модель любого органа с любой известной патологией.

Источник: ncbi.nlm.nih.gov

Нейроанатомические модели, напечатанные на 3D-принтере, могут быть особенно полезны для нейрохирургов, давая представление о самых сложных структурах в организме человека, которое принципиально невозможно получить, основываясь на двумерных изображениях.

Биопечать тканей и органов

Источник: hbr.org

Биопечать – один из многих видов 3D-печати, использующихся в области медицины. Вместо того, чтобы печатать с использованием пластика или металла, биопринтеры используют шприц-дозатор для нанесения биочернил (слоев живых клеток или структурирующей основы для них) при создании искусственной живой ткани. Помимо использования в качестве альтернативы донорским тканям, такие тканевые конструкции или органоиды могут быть использованы для медицинских исследований. 

Источник: press.ginkgo3d.com

Хотя системы трехмерной биопечати могут быть лазерными, струйными или экструзионными, биопечать по струйной технологии является наиболее распространенной. Несколько печатающих головок можно использовать для размещения различных типов клеток (органоспецифичных, клеток кровеносных сосудов, мышечных тканей), что является основной задачей при изготовления гетероцеллюлярных тканей и органов. 3D-печать биологическими материалами может быть использована для регенерации тканей, а в перспективе и органов, непосредственно на пациенте.

Печать хирургических инструментов

Детали захвата Volt, Источник: bitegroup.nl

Современные хирурги стараются проводить операции с как можно меньшей травматичностью для пациента, поэтому для них очень часто требуется персонализированный инструмент. Использование 3D-печати позволяет создавать такие инструменты в течение нескольких часов. 

Визуализация модели захвата Volt, Источник: bitegroup.nl

Теперь врач может самостоятельно модифицировать готовую модель, придав ей необходимые размеры и форму для удобства и эффективности работы. Стоматологи теперь могут прямо при пациенте создать, например, индивидуальные направляющие, исключающие возможность повреждения здоровых зубов при протезировании. 

Про зажим Вольт, с фотографий выше, читайте далее в разделе “Примеры использования”.

А вот как создают инструменты при помощи 3D-печати металлом студенты Duke University в Дареме, Северная Каролина.

«Печать» лекарств

Источник: mdpi.com

Технологии 3D-печати уже используются в фармацевтических исследованиях и персонализированной медицине, сфера их применения постоянно расширяется. 3D-печать дает возможность точного контроля дозы препаратов и производства лекарственных форм со сложными профилями высвобождения медикаментов и пролонгированным действием. Теперь фармацевты могут анализировать фармакогенетический профиль пациента и другие характеристики, такие как возраст, вес или пол, чтобы определить оптимальную дозу лекарственных средств и последовательность их применения. При необходимости доза может быть скорректирована, в зависимости от клинического ответа. С помощью 3D-печати можно производить персонализированные лекарства в совершенно новых рецептурах, таких как таблетки, содержащие несколько активных ингредиентов либо в виде одной смеси, либо в виде сложных многослойных таблеток.

Протезирование и стоматология

Источник: eos.info

3D-печать успешно используется в медицине для изготовления сложных индивидуальных протезов или хирургических имплантатов. Имплантаты и протезы любой возможной геометрии могут быть изготовлены переводом рентгеновских, МРТ- или КТ-снимков в модели для 3D-печати с помощью специального программного обеспечения.

Быстрое изготовление нестандартных имплантатов и протезов решает насущную проблему в ортопедии, где стандартные имплантаты часто не подходят пациенту. Это верно и для нейрохирургии: черепа имеют индивидуальную форму, поэтому сложно стандартизировать черепной имплантат. Ранее хирургам приходилось использовать различный инструмент для модификации и подгонки имплантатов, иногда и прямо во время операции. Использование 3D-принтеров делает эту процедуру ненужной. Аддитивные технологии особенно востребованы, когда необходимо срочное изготовление имплантатов.

Настоящая революция в стоматологии произошла с появлением 3D-технологий. 

Источник: hypowerfuel.com

Во-первых, стало возможно полное и точное трехмерное сканирование полости рта. Во-вторых, использование 3D-печати дало возможность создавать протезы, абсолютно точно соответствующие анатомии пациента, без необходимости долгой и малоприятной подгонки. Радикальное уменьшение доли ручного труда при изготовлении протезов или виниров позволило уменьшить требуемые допуски при производстве, расширить перечень используемых материалов и увеличить удовлетворенность пациентов от результатов работы врача. 

Печать модели сердца четырехлетнего пациента, 3D-принтер Zortrax M200

На фото: модель сердца в собранном виде. Источник: zortrax.com

В Медицинском университете Гданьска (Польша) для подготовки к проведению операции по лечению сложного врожденного порока сердца (тетрады Фалло – неправильной работе сердечного клапана легочной артерии) у четырехлетнего пациента, специалистами Кафедры детской кардиологии и врожденных пороков сердца, совместно с коллегами с Кафедры кардиохирургии и радиологии, был использован 3D-принтер Zortrax M200.

На фото: искусственный клапан легочной артерии. Источник: zortrax.com

Современный метод лечения заключается во введении через бедренную вену катетера, через который к сердцу подается искусственный клапан для имплантации. Это очень сложная операция, требующая от врача детального знания индивидуальных особенностей анатомии пациента. 

На фото: модель сердца во время печати. Источник: zortrax.com

До сих пор врачи могли полагаться только на 3D-модель на экране компьютера, созданную на основе КТ- и МРТ-снимков, а такой реконструкции не всегда хватает для получения полного представления о реальном органе и возможных сложностях. 

Источник: zortrax.com

Наличие высокодетализированной осязаемой модели живого органа пациента во время подготовки к операции может иметь решающее значение для ее успеха. Даже опытные хирурги оценили потенциал новой технологии. Раньше было трудно заметить индивидуальные особенности и деформации, теперь это стало ощутимым и доступным для более тщательного изучения.

Модель была напечатана в течение 24 часов. Материал Z-ULTRAT был использован для печати сердца, и материал Z-GLASS — для печати сосудов. После успешно проведенной операции, модель была передана Университету для обучения студентов.

Искусственные роговицы, изготовленные на 3D-биопринтере Nano master SMP-III

Источник: europepmc.org

В Южной Корее около 2000 пациентов ожидают донорства роговицы, а время ожидания операции составляет в среднем шесть лет. Для пациентов, которые не могут найти подходящего донора, есть возможность имплантировать искусственные роговицы, состоящие из рекомбинантного коллагена и синтетических полимеров. К сожалению, они часто не приживаются и не являются полностью прозрачными. Это связано с особой структурой роговицы в виде решетчатых коллагеновых фибрилл, которую до сих пор не удавалось воспроизвести. Группа исследователей из Университета науки и технологий Пхохана и Школы медицины Национального университета Кунгпука в Южной Корее разработала метод 3D-печати искусственной роговицы с использованием тканевого материала пациента. 

Источник: ithl.co.kr

Для печати использовался 3D-биопринтер с системой микроэкструзии Nano master SMP-III, Musashi Engineering, Tokyo, Japan, со следующими параметрами:

• скорость печати 130
  мм/мин;

• скорость экструзии 0,0024 мм/с;

• диаметр сопла 0,29 мм;

• температура печати 4 °C.

Напечатанная и заполненная биоматериалом роговица затем четыре недели культивировалась в инкубаторе при температуре 37 °C.

Источник: europepmc.org

Искусственная роговица, напечатанная на 3D-принтере и изготовленная из децеллюляризованной стромы роговицы и стволовых клеток пациента, может полностью заменить донорскую роговицу в хирургии глаза. Поскольку такая роговица состоит из материалов, полученных из тканей самого пациента, она полностью совместима. Технология клеточной 3D-печати воспроизводит естественную микросреду глаза, что позволяет добиться прозрачности, аналогичной таковой у человеческой роговицы.

Профессор Университета науки и технологий Пхохана Джина Джанг сказала: 

«Мы уверены, что эта технология вернет зрение многим пациентам, страдающим заболеваниями роговицы».

Институт регенеративной медицины Уэйк Фореста, мобильный 3D-принтер для лечения обширных ран

Источник: 3dnatives.com

Традиционный метод лечения обширных ожогов — пересадка кожи, при которой здоровая кожа с наименее пострадавших частей тела пациента пересаживается на место поврежденной. Помимо того, что этот метод дополнительно травматичен для пострадавшего, в некоторых случаях на теле может вообще не остаться здоровой кожи для использования. Медицинская школа Уэйк Форест разработала принтер, который может непосредственно на ране печатать клетки кожи, выращенные из тканей пациента.

Источник: 3dnatives.com

Ручной 3D-сканер ZScanner Z700 используется для определения размера и глубины раны. На основе этой информации 3D-принтер печатает подкожные, дермальные и эпидермальные клетки кожи на соответствующих глубинах, чтобы полностью покрыть рану.

Источник: 3dnatives.com

Система 3D-биопечати, разработанная учеными, состоит из перемещающейся по трем осям печатающей головки с восемью соплами диаметром 260 мкм с независимыми дозаторами. Специально для этого устройства исследователи создали биочернила, состоящие из аутологичных дермальных фибробластов и эпидермальных кератиноцитов в носителе из гидрогеля.

Биполярный хирургический зажим Volt для лапароскопических операций, компания Bite

Источник: bitegroup.nl

Volt — 3D-печатный биполярный лапароскопический зажим — миниатюрное устройство для зажимания и коагуляции (прижигания) сосудов и тканей, например — для остановки кровотечений при операции. Был создан для применения в малоинвазивной (щадящей) хирургии в 2016 году и успешно испытан на печени свиньи. 

Источник: bitegroup.nl

Дизайн устройства позволяет легко регулировать геометрию стержня и наконечника в зависимости от анатомии пациента и требований к операции. Маневренный хвостовик — ± 65 ° для боковых движений и ± 85 ° вверх и вниз. Жесткость при изгибе 4,0 Н/мм для соединения 1 и 4,4 Н/мм для соединения 2, что значительно выше, чем у ранее доступных управляемых инструментов. Наконечник состоит из двух 3D-печатных титановых подвижных губок с углом раскрытия до 170 °. Инструмент подключается к электрохирургическому аппарату Erbe и способен успешно коагулировать ткани температурой 75 °C, достигаемой за 5 с.

Печать хрящей: реконструкция уха

Источник: rokithealthcare.com

Применяя несколько материалов, таких как гидроксиапатит (ГАп) и сополимер молочной и гликолевой кислот (ПМГК), и используя на принтере Rokit Dr. INVIVO 4D Premium шприц-дозатор, медицинские специалисты могут напечатать структуры, обладающие гибкостью. Это необходимо для восстановления хрящей, в частности — при реконструктивной хирургии наружного уха.

Органы в 3D: как трехмерная печать изменит медицину

Зуб выдают

Наиболее массово объемная печать на сегодняшний момент используется в стоматологии, отмечает ректор Сибирского государственного медицинского университета, д.м.н., профессор Ольга Кобякова: «Благодаря 3D-сканированию врач получает возможность смоделировать индивидуальный имплант и оценить его физические свойства до установки, что позволяет оптимизировать процесс, избавиться от многочисленных примерок и подгонок, неприятных для клиента». Изготовление коронок, протезов и других изделий по традиционной технологии — очень трудоемкая процедура, которая занимает много времени. Конечный результат зачастую зависит от твердости руки техника и остроты его зрения. Современная трехмерная печать выводит стоматологический бизнес на производственные мощности и обеспечивает стабильную точность.

В то же время в отечественной медицине достаточно медленно продвигаются новые технологии из-за консервативности отрасли, считает специалист по 3D-оборудованию компании Top 3D Shop Антон Теплухин. Например, в развитых странах активно используются элайнеры — капы для выравнивания зубов, которые изготавливаются при помощи 3D-сканера и 3D-принтера. В России эта технология с трудом принимается ортодонтами, которые привыкли устанавливать традиционные брекеты, говорит Антон Теплухин: «На одном из форумов по применению элайнеров в Москве только два ортодонта из 60 захотели подробнее изучить технологию».

Кроме того, оборудование, необходимое для 3D-печати в медицине, достаточно дорогое: цена на средний принтер начинается от 90 тыс. руб., на сканер — от 190 тыс. руб. Спрос на такие аппараты формируют крупные частные стоматологические клиники и госучреждения, в обычных стоматологических поликлиниках 3D-принтер и сканер еще не скоро станут обыденностью, считает Антон Теплухин.

Суставная разминка

Трехмерная печать позволяет изготовить протез из очень большого ассортимента композитных, смешанных материалов, что делает технологию востребованной и в эндопротезировании, говорит руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков: «Исследования открывают новые возможности для огромного количества пациентов, помогают лечить распространенные заболевания суставов, которые мешают вести полноценную жизнь людям уже в среднем возрасте».

В частности, основной сложностью создания протеза для замены сустава является наращивание хрящевой ткани. Каждый слой хрящевой ткани поляризован, то есть имеет определенную направленность, противоположную друг к другу, поэтому воссоздать ткань искусственно пока довольно сложно. Однако 3D-печать открывает огромные возможности для развития этого направления.

Сейчас при операциях по протезированию суставов используют металлоконструкции на основе титана, но в целом это компромиссное решение, отмечает эксперт. Будущее, по словам Павла Волчкова, за 3D-химерными суставами: «В данной разработке планируется использовать, наряду с синтетической составляющей, естественный биоматериал, например натуральную хрящевую ткань, полученную у пациента из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток».

Биопринтинг

3D-биопринтинг, или трехмерная печать собственно клетками, — следующая ступень эволюции технологии. Трехмерная печать эквивалентов отдельных органов и тканей тоже апробируется в экспериментальном порядке. В частности, в научной литературе описаны попытки конструирования прототипов поджелудочной железы с эндокринной функцией как этап формирования инсулинопродуцирующего органа, эксперименты по биопечати эквивалентов печени, легких, линий эпителиальных и эндотелиальных клеток и даже нервной ткани.

Перспективным подходом в трехмерной биопечати является, в частности, создание объекта тканевыми сфероидами (группы клеток, которые образуют трехмерную структуру). По результатам некоторых исследований, этот способ имеет ряд значимых преимуществ перед печатью клеточной суспензией, отмечают авторы обзора «Введение в 3D-биопринтинг: история формирования направления, принципы и этапы биопечати» (подготовлен «Биопринтинг солюшенc», МНИОИ имени П.А. Герцена — филиал ФГБУ НМИЦ радиологии Минздрава РФ и РНИМУ имени Н.И. Пирогова): «Способность сфероидов к слиянию в органоподобные структуры с формированием тканевой архитектоники, а также возможность автоматизированного получения сфероидов разного диаметра, в том числе содержащих в себе различные типы клеток, доказывают перспективность этого направления клеточно-тканевой инженерии».

Кроме того, по данным исследователей, клетки в сфероидах более устойчивы к стрессу, радиации и другим факторам искусственной внешней среды.

Примечательно, что отечественные ученые одними из первых напечатали щитовидную железу лабораторной мыши, рассказал Павел Волчков: «В ходе эксперимента клетки щитовидной железы мыши выделяли в виде суспензионной культуры, а затем формировали сфероиды и из них уже печатали». То есть для того, чтобы трансплантировать готовую щитовидную железу, ее сначала разобрали на части, а потом из частей напечатали орган.

В основном технология применяется для печати в экспериментальных условиях паренхиматозных тканей (эпителия внутренних органов), отмечает Павел Волчков. Создание более сложных органов, по его словам, все еще серьезный вызов для 3D-печати, так как они состоят из сложного сочетания различных типов клеток, в том числе послойного. Кроме того, органы васкуляризированы, то есть в них прорастают сосуды.

Подобные разработки требуют больших инвестиций при весьма отделенных перспективах применения, что сдерживает энтузиазм венчурных компаний. Но будущее именно за живыми клетками как основного «строительного» материала для 3D-биопринтига, считает Павел Волчков. Поэтому капитализация в отрасли 3D-печати в медицине пока идет только за счет продажи принтеров научным компаниям и лабораториям.

Как развиваются технологии в России?

• Нижегородские врачи приволжского федерального медицинского исследовательского центра (ФГБУ «ПФМИЦ» Минздрава России) в 2016 году провели две успешные операции по вживлению протезов тазобедренных суставов, напечатанных на 3D-принтере.
• Специалисты лаборатории Томского государственного университета изобрели вариант костной ткани на основе фосфора и кальция. Ученые предположили, что созданная из костей животных ткань, а, следовательно, биосовместимая с человеческим организмом, способна со временем заменить титановые имплантаты.
• В клинике при Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете успешно проводят операции с применением смоделированных органов для подготовки к вмешательству при пороках сердца. Теперь для спасения ребёнка вместо нескольких сложных операций понадобится одна — длительная, но менее рискованная.

Продумываем доступ правильный, как выбрать тактику необходимую для данной операции, выбрать тип операции. Потому что при сложных врождённых пороках сердца с непростой гемодинамикой детали имеют колоссальное значение. И правильный подход к операции будет иметь либо положительный, либо отрицательный результат.Евгений Кулемин, кардиохирург