Краткая история 3D-печати и ее применения в медицине
Официально отцом 3D-печати считается американский изобретатель Чарльз (Чак) Халл, который представил ее миру в 1983 году. Однако первое подобие 3D-принтера появилось в 1981 году, изобрел его японец Хидео Кодама, и он же первым подал заявку на патент технологии (только вот не предоставил в нужный срок все необходимые документы).
В 1980–1990-х годах были запатентованы еще несколько видов трехмерной печати, а на рынке стали появляться первые компании-игроки в этой сфере, такие как Stratasys и 3D Systems Corporation, которые являются лидерами и в наше время.
Уже в 1999 году группа ученых и врачей американского института регенеративной медицины Уэйк Форест имплантировала пациенту мочевой пузырь, выращенный в лаборатории на основе его собственных клеток. Это был первый случай создания точной копии органа пациента с помощью компьютерной томографии и 3D-принтера.
Как происходит процесс 3D-биопечати
Биопринтинг в целом работает по тому же принципу, что и обычная 3D-печать. Процесс состоит из нескольких этапов, где сначала создается трехмерная цифровая модель, конвертируется в формат для системы принтера, нарезается на слои, а затем происходит сама печать по одной из нескольких технологий.
При создании модели используются компьютерная и магнитно-резонансная томография: они создают двумерные срезы анатомической структуры. Биопринтер печатает живыми клетками по коллагеновой матрице. Врачи получают клетки от пациента, а затем размножают их в инкубаторе, чтобы создать достаточно материала для печати. При этом некоторые клетки, такие как, тельца крови или кардиомиоциты, тяжело размножить, поэтому их выращивают из стволовых клеток.
Клетки послойно накладываются на гидрогель (специальный биоразлагаемый полимер). Именно тот факт, что используются клетки самого пациента, позволяет достичь лучшей приживаемости созданного органа в его теле.
Мировой рынок 3D-печати в медицине
Аддитивные технологии (метод создания трехмерных объектов, он же 3D-печать) сегодня применяются практически во всех сферах: от архитектуры до аэрокосмической и оборонной промышленности. В 2022 году мировой рынок 3D-печати оценили в $18,33 млрд. Согласно консалтинговой компании Coherent Market Insights, сегменту здравоохранения «принадлежали» $1,87 млрд, но к 2031 году сумма может вырасти до $7,5 млрд.
Наибольшую долю рынка в 2023 году занимали США (33,6%). Второе и третье места принадлежали Европе и Азиатско-Тихоокеанскому региону.
Технология 3D-печати имеет несколько применений в секторе здравоохранения. Условно направления можно разделить на печать различных видов протезов, в том числе зубных имплантов и слуховых аппаратов, и на печать органов для имплантации. Кроме того, существуют несколько компаний, которые сосредоточились на печати органов, таких как печень и щитовидная железа, для доклинических испытаний лекарств. Отметим, что для печати органов корректней использовать термин «3D-биопринтинг» — это технология создания объемных моделей на основе клеток с использованием 3D-печати.
Сейчас ученые уже освоили печать «плоских» биоматериалов, таких как кожа или хрящевая ткань, и занимаются клиническим внедрением ее результатов. Например, американские ученые два года назад напечатали ухо и имплантировали его живому человеку. Второй этап подразумевает освоение производства полых трубчатых органов, таких как кровеносные сосуды, элементы пищевода, кишечника, трахеи, периферической нервной системы. На этой стадии как раз и находится большинство исследовательских групп.
По данным исследователей Coherent Market Insights, несмотря на то что биопечать уже доступна для многих органов и других частей тела, технология еще не вышла на коммерческую стадию.
Основными ограничениями остаются проблемы с правовым и финансовым регулированием и высокая стоимость технологии. Эксперты отмечают не только дороговизну самих 3D-принтеров, но и их обслуживания, а также программного обеспечения. Кроме того, среди сдерживающих факторов можно выделить отсутствие стандартизированных методов тестирования материалов и высокую стоимость сырья.
Российский рынок 3D-печати в сфере здравоохранения
Согласно исследованию NeoAnalytics, в 2022 году объем рынка аддитивных технологий в России составлял около $4 млрд. При этом страна занимала лишь девятое место в мире по числу патентов в этой сфере. В июле 2021 года правительство РФ утвердило «Стратегию развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года», согласно которой до конца этого десятилетия в стране будут созданы около 180 центров аддитивных технологий.
Первый российский биопринтер был создан в 2014 году компанией 3D Bioprinting Solutions. В начале 2015 года компания создала и успешно пересадила органный конструкт щитовидной железы мыши. Сейчас компанию называют «пионерами российского биопринтинга», с ней сотрудничают ведущие российские организации и научные центры.
В 2016 году российским Минюстом была зарегистрирована Ассоциация специалистов по 3D-печати в медицине. Как заявлено на сайте, «членами Ассоциации являются крупные медицинские компании, лечебные учреждения, компании по производству и поставке оборудования для 3D-принтеров, ученые, врачи и специалисты в области IT-технологий и представители многих других профессий». Также, по данным сайта, участниками ассоциации являются более ста компаний и медицинских учреждений, в том числе MEDprint, AddSol, Osnova, TOP3DGroup, «ЭндоПринт» и другие.
В 2023 году в стране, по данным «Коммерсанта», поставками для исследований биопринтинга человека занимались около 15 компаний. Представитель Top3DGroup рассказывал, что только их компания оснастила уже пять государственных учреждений и несколько коммерческих лабораторий. При этом в планах компании на прошлый год были еще семь поставок в учебные заведения.
Изучением возможностей биопринтинга занимаются многие российские научные институты. Так, в 2020 году был основан НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСиС, в котором проводятся биологические исследования в области 3D-биопринтинга, создания клеточно- и тканеинженерных конструкций, имплантатов и биомиметических структур. В декабре 2023 года, благодаря разработкам его ученых, российские хирурги впервые в мире напечатали ткани прямо на ране пациента во время операции.
Активные исследования в этом направлении проводит Сеченовский университет, причем на международном уровне: в 2023 году он подписал соглашение с китайскими коллегами о создании совместных лабораторий трехмерного биопринтинга и регенеративной медицины.
В СамГМУ действует НТИ «Бионическая инженерия в медицине». Ученые этого медицинского вуза в ноябре прошлого года разработали роборуку, оснащенную устройством для биопечати гидрогелями. В «Лаборатории сверхпластичных интерфейсов» ТГУ ученые занимаются разработкой передовых биосовместимых материалов. Также исследования в этом направлении проводит ФНЦ трансплантологии и искусственных органов имени академика В. И. Шумакова.
Где применяется 3D-печать в российской медицине
Стоматология
Иван Юрченко, отоларинголог и пластический хирург в клинике Seline, рассказал «РБК Трендам», что флагманом в области применения 3D-печати в медицине выступает стоматологическая сфера. «Еще до момента непосредственной операции хирург назначает пациенту компьютерную томографию, на основе которой готовится 3D-визуализация. Особенно это важно в случае с ринопластикой. Картинку с экрана для большей наглядности можно перевести в макет, распечатав на 3D-принтере — хирург сможет в реальном времени сверяться с тем, что ему нужно исправить», — объясняет эксперт.
Руслан Майсаров, специалист по ортопедической и эстетической стоматологии в клинике «ИДЕНТИ», считает, что «3D-печать помогает восстановить утраченную эстетику и функцию жевания, воссоздавая структуры лица и челюсти».
Майсаров рассказал «РБК Трендам», что современные сканеры позволяют направить цифровую копию зубов и челюстей в зуботехническую лабораторию, где на 3D-принтере будут напечатаны диагностические модели (ранее они отливались из гипса). Такая копия позволяет стоматологу-ортопеду воссоздать утраченную форму зубов и наглядно продемонстрировать пациенту будущий результат лечения. К тому же напечатанные на принтере коронки используются в качестве временных конструкций в период адаптации пациента.
Диагностические модели для планирования долгосрочного лечения могут использовать и ортодонты. Помимо этого, популярные в последнее время элайнеры (прозрачные ортодонтические каппы для исправления прикуса) также печатаются на 3D-принтере.
Стоматологи-хирурги в своей работе также используют 3D-технологии — для печати хирургических шаблонов: они позволяют заранее спрогнозировать место установки имплантатов в костные структуры. Кроме того, по словам Майсарова, технология активно применяется в челюстно-лицевой хирургии. 3D-печать позволяет быстро и точно воссоздать отдельные костные структуры, в том числе и всю нижнюю челюсть.
Специалист по ортопедической и эстетической стоматологии отмечает, что «даже небольшая зуботехническая лаборатория сейчас находится на пороге цифровизации и обладает возможностью печати на 3D-принтере». Кроме того, по мнению врача, стоматологическое лечение в России находится на высочайшем общемировом уровне, поэтому такие принтеры стали появляться и в обычных стоматологических кабинетах. Это позволяет врачам изготавливать необходимые модели всего за несколько часов. Основными материалами для 3D-печати в стоматологии являются пластиковая нить, фотополимеры, металлические сплавы.
Пластическая хирургия
Пластический хирург Иван Юрченко говорит, что 3D-печать уже применяется в хирургии, но сейчас в использовании технологии печати лицевых имплантатов есть ряд сложностей. «Конечно, более-менее универсальные модели из полимеров сейчас производят различные компании — и чаще всего в США. Однако я неоднократно сталкивался с необходимостью «подгонять» такой имплант, чтобы он зафиксировался на месте и идеально подошел по форме к кости носителя — особенно это актуально для имплантов подбородков и скул. Еще сложнее, если нужен имплант больше стандартного размера, которого нет в линейке производителя.
Работа над «подгонкой» импланта, поскольку это приходится делать режиме реального времени, неизбежно увеличивает время операции. А значит, и время пребывания пациента в наркозе».
Юрченко объяснил, что изготавливают такие имплантаты из вспененного полиуретана — по структуре он напоминает губку, и эта фактура позволяет «врасти» ему в окружающие ткани. Подбородочный и скуловой импланты из такого материала даже не требуется фиксировать дополнительно: имплант окружает фиброзная капсула, и он остается на месте. Важно отметить, что полимеры инертны для иммунной системы.
Хирургия и трансплантология
Научный руководитель Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Петр Тимашев рассказал «РБК Трендам», что применение технологии 3D-биопечати может решить проблему нехватки донорских органов и улучшить процесс трансплантации.
В Сеченовском проводятся исследования биосовместимости и применимости искусственных аналогов на животных. Тимашев поделился, что в условиях in vivo (испытания, проводимые на живом существе) уже получены данные об эффективности и безопасности биоэквивалентов барабанной перепонки, кожи, хряща, голосовой складки и уретры. В рамках клинического исследования именно искусственный аналог уретры был успешно трансплантирован пациенту. Также в феврале 2024 года в Сеченовском лабораторной мыши пересадили фрагмент напечатанной на биопринтере печени.
Профессор рассказал «РБК Трендам», что для печати органов используются биосовместимые материалы, такие как натуральные гидрогели (коллаген, фибрин, гиалуроновая кислота), а также синтетические полимеры, которые зачастую обеспечивают более высокую «прочность» напечатанного конструкта. Также в состав обязательно входят клетки (различные типы в зависимости от вида ткани) и биологически активные соединения, способствующие формированию функциональной ткани.
В Сеченовском в 2023 году был напечатан искусственный аналог живой человеческой ткани на основе двух типов клеток из жировой ткани и слизистой оболочки десны. Разработка позволит лечить диабетические и трофические язвы, незаживающие раны, ожоги и другие дефекты.
Технологии 3D-биопринтинга могут быть применимы не только в условиях идеальной стерильности, которые обеспечивают больницы. Так, весной 2023 года в МИСиС представили первый в России автономный «тканевой пистолет», который может останавливать кровотечения и запускать регенеративные процессы при ранениях легкой и средней степени тяжести. Такое устройство предназначено для работы в военно-полевых условиях и в зоне ЧС.
Протезирование
Андрей Давидюк, генеральный директор «Моторики», убежден, что 3D-печать — один из главных драйверов развития функциональных протезов верхних конечностей: в первую очередь бионических протезов. С ее помощью, по его словам, создается практически вся известная сегодня бионика.
«Моторика» использует 3D-печать для создания протезов пальцев, кисти и предплечья. В основе технологии лежит принцип выборочного лазерного спекания (selective laser sintering), а в качестве материала применяется белый полиамид — легкий и прочный пластик, который хорошо поддается покраске.
Детское протезирование, по мнению Давидюка, было бы невозможно в промышленном масштабе без 3D-печати. Поскольку детям протезы нужно менять раз в год, их быстрее и дешевле напечатать, чем делать вручную. Небольшой вес изделий из полиамида позволяет протезировать детей с двух лет.
Фармакология
Тестирование различных лекарственных препаратов на напечатанных органах позволяет проводить доклинические исследования гораздо быстрее и эффективнее. Такую практику уже внедрили, например, в ТГУ: ученые проводят испытания препаратов генной терапии рака на тканях, напечатанных на 3D-биопринтере.
Биотехнолог Сергей Вострухов, рассказал «Ъ», что тестирование препаратов на искусственных органах называется «орган на чипе». Это сложная биохимическая модель, при которой ученым необходимо вырастить, например, кусочек печени, который должен функционировать как полноценный орган.
Что еще недавно удалось напечатать на биопринтере
- В феврале 2024 года американские биологи напечатали на биопринтере первый в мире образец искусственной нервной ткани, которая растет и передает сигналы так же, как человеческий мозг.
- Американским и бразильским ученым в 2023 году удалось создать практически полноценный лоскут кожи с функционально активными волосяными фолликулами.
- В 2022 году исследователи из университета Британской Колумбии напечатали стволовые клетки яичек человека, которые еще и начали дифференцироваться в клетки, производящие сперматозоиды.
- В этом году на МКС российские ученые планируют первыми в мире напечатать трубчатые органы, такие как мочеточники и уретра, в космосе.
Вызовы и барьеры для развития 3D-печати
Несмотря на значительный прорыв в биопринтинге, у технологии все еще есть свои ограничения. Так, Петр Тимашев считает, что «несмотря на высокий потенциал технологии трехмерного биопринтинга, будет сложно воссоздать органы со сложной структурой, такие как мозг или почку. Они имеют сложную архитектуру и выполняют множество функций, что делает их создание серьезным вызовом даже для передовых технологий».
Отоларинголог и пластический хирург Иван Юрченко отмечает, что для развития аддитивных технологий существует барьер в виде регистрации медицинских материалов и изделий в Росздравнадзоре, которая стоит от ₽2 млн. «Однако в случае с печатью достаточно будет зарегистрировать одно сырье, которое пройдет все исследования и будет официальным для всей страны, и печатать имплантаты из него», — дополняет эксперт.
По мнению Юрченко, флагманом в развитии 3D-печати в хирургии может выступать государство. Он полагает, что начать внедрять технологии лучше всего в институтах: «Так, подразделения на кафедрах могут начать с печати моделей, которые необходимы студентам, а уже затем перейти и на импланты. Через время это начнет самоокупаться. Конечно, в такую технологию могли бы инвестировать крупные государственные игроки — и тем самым дать толчок для развития 3D-печати для хирургии в нашей стране».
Еще одной проблемой для рынка российских аддитивных технологий остается тот факт, что отечественное производство до сих пор преимущественно основано на зарубежной сырьевой и элементной базе. И несмотря на большое количество разработок российских ученых, их тяжело вывести на производственный масштаб.