Принтер здоровья. Группа нижегородских исследователей разработала технологию 3D-печати костей человека

В НИИ Металлоорганической химии имени Разуваева разработали технологию, которая позволяет с помощью фотопринтера синтезировать искусственную кость. От привычных имплантов она отличается тем, что имеет пористую структуру, внутрь которой, как по каркасу, может прорастать живая костная ткань. О медицинском ноу-хау «Деловой газете» рассказал доктор химических наук Сергей ЧЕСНОКОВ.

Присоединять, а не убирать

Процесс появления новых объектов по аддитивным технологиям – зрелище феерическое. Весь процесс ведётся в темноте: по слою фотополимера бегает луч лазера, и из «лужи» вырастает вполне конкретное «нечто».

– Сам принцип создания какого-либо предмета по такой технологии противоположен привычному, когда «из большего создают меньшее», например, при помощи механической обработки убирают всё лишнее, – пояснил научный руководитель группы создателей 3D-принтера костей скелета в Институте металлоорганической химии имени Разуваева доктор химических наук Сергей Чесноков. – «Аддитивный» и означает «присоединяющий»: это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3D-технологий из жидкого полимера или порошкообразного материала, который затвердевает в заданных условиях под воздействием света или тепла.

Основное преимущество такого способа – практически безотходное, быстрое, а главное, максимально точное воплощение задумки конструктора, или, как говорит Сергей Чесноков, «творца».

– Эта технология стала возможной благодаря сплаву двух направлений: компьютерной техники и химии, в которой за последние годы произошёл настоящий прорыв, – пояснил учёный. – В мире сейчас идёт настоящий бум по поводу аддитивных технологий, которые признаны технологиями будущего.

Кстати, изобретение стереолитографического аппарата принадлежит Чарльзу Халлу. Сделал он его в 1986 году, тогда же создал и компанию по их производству. Важность новой технологии была сразу понята в СССР, и разные группы исследователей приступили к разработке своих систем послойного синтеза.

– При участии академика Глеба Абакумова была сформирована группа «послойщиков» из 9 человек из разных учреждений (нашего института, радиофака университета имени Лобачевского, завода «Салют»), и мы сконструировали и сделали «в железе» первую в России компьютеризированную установку, которая сама выращивала полимерный объект заданной формы, – окунулся в воспоминания Сергей Чесноков.

Группа работала каждый день, без выходных, до глубокой ночи. Ровно за 9 месяцев учёные «родили первенца». Своё изобретение они предложили одному крупному промышленному предприятию, но, как говорит Чесноков, «там запросили готовый станок, делать который нам было не на что».

В начале 1990‑х промышленность рухнула, и новые технологии стали никому не нужны. Нижегородские исследователи продолжили работу и сделали ещё несколько установок, но уже лабораторных, «для себя».

Химики объединились с медиками

В 2002 году группа исследователей Института металлоорганической химии имени Разуваева запатентовала новый, предложенный доцентом радиофака университета имени Лобачевского Сергеем Менсовым, принцип выращивания модели.

– Мы поставили задачу исключить одну из наиболее длительных стадий формирования объекта, – продолжает Чесноков. – Матмодель объекта и траектория движения лазерного луча были рассчитана так, что сложный объект выращивался из слоя жидкого фотополимера в непрерывном режиме.

Для того чтобы поставить изобретение на службу здоровья, химики объединились с медиками. На сегодняшний день в содружестве с Нижегородским научно-исследовательским институтом травматологии уже отработана схема подготовки к сложным операциям.

По томографическим данным создаётся математическая модель костей или суставов конкретного человека, и нужный фрагмент выращивается по аддитивной технологии. На полученной точной модели врачи отрабатывают, например, технику предстоящей операции.

– Это уже персонифицированная медицина, когда лечится не абстрактный больной, а конкретный человек, с его индивидуальными особенностями строения костей, – пояснил разработчик. – Из нейтрального полимерного материала можно создавать имплант или протез, который после установки прорастёт сосудами и полностью заменит отсутствующий оригинал. И это уже другая задача. Здесь самая большая сложность в том, что кость имеет пористую структуру с размерами пор от 5 до 400 микрон в определённом соотношении. Построить математическую модель такого пористого объекта и воссоздать её при 3D-синтезе крайне сложно. В нашем институте работы ведутся в двух лабораториях – с биоразлагаемыми полимерами (под руководством директора института, члена-корреспондента РАН Игоря Федюшкина) и с неразлагаемыми полимерами, которые по долговечности не уступают настоящей кости.

Пористые импланты

Уже были проведены опыты на животных: в кости подопытным кроликам вставили выращенные по аддитивной технологии «пробочки» – имплантаты. По словам учёного, ушастые после такой операции прекрасно себя чувствовали, не было ни отторжения, ни воспаления.

Сегодня в мире с помощью аддитивных технологий искусственно выращивается человеческая кожа, пересадка которой спасёт жизни людям с большой площадью ожогов, стоматологические импланты, протезы и коронки; индивидуальные слуховые аппараты; печатаются 3D-модели органов для изучения влияния лекарств, создаются ортопедические протезы. Работы нижегородских учёных могут внести свою лепту в медицину будущего. Ведь пористых имплантов кости, идентичным «родным» косточкам человека, в мире ещё никто не делал.

Нижегородцы уже подали заявку на грант, чтобы продолжить работу в этом направлении.

Кстати

Сейчас аддитивные технологии во всём мире применяются в самых разнообразных сферах. Например, «аддитивное» возведение зданий и различных сооружений сокращает время застройки в 10 раз и позволяет воплощать в жизнь любые дизайнерские решения – от средневековых замков до домов с учётом сейсмоустойчивости.

В фармакологии можно создавать и индивидуальные таблетки для конкретного пациента: доза рассчитывается с учётом пола, возраста, веса, сопутствующих заболеваний. А любые технические детали на любом производстве – автомобилестроении, приборостроении, авиастроении – будут не только максимально точными, но и более прочными и лёгкими. Кроме глобальных масштабов эти технологии дают простор для воплощения фантазии любителям «подковать блоху». Трёхмерный двухфотонный суперпринтер позволяет создавать предметы любой сложности размером в 50 микрон (для сравнения: толщина человеческого волоса – 100 микрон).