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

Сергей Чесноков. Фото Александра Воложанина

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).

Добавить сайт в мои источники