Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский - на - Амуре государственный

технический университет»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Аддитивные технологии»

Аддитивные технологии в медицине

Введение

Как известно, существует несколько методов 3D печати, однако все они являются производными аддитивной технологии производства изделий. Вне зависимости от того, какой 3D принтер вы используете, построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Несмотря на то, что термин Additive Manufacturing используется отечественными инженерами очень редко, технологии послойного синтеза фактически оккупировали современную промышленность.

Цифровое производство нашло свое применение в медицине, космонавтике, производстве готовой продукции и прототипировании. Хотя 3D печать принято считать одним из главных открытий двадцать первого века, в действительности аддитивные технологии появились на несколько десятилетий раньше. аддитивный медицина протез коронка

В наши дни AF-технологии используются повсеместно: научно-исследовательские организации с их помощью создают уникальные материалы и ткани, промышленные гиганты используют 3D принтеры для ускорения прототипирования новой продукции, архитектурные и конструкторские бюро нашли в 3D печати нескончаемый строительный потенциал, в то время как дизайн-студии буквально вдохнули новую жизнь в дизайнерский бизнес благодаря аддитивным машинам.

1. Понятие аддитивных технологий

Аддитивные технологии (AF - Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений "цифрового" производства. Они позволяют на порядок ускорить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции.

Аддитивное производство - процесс соединения материалов и выращивания объектов по 3D-модели, как правило, слой за слоем. Зачастую его рассвет соотносят с индустриальным производством, в то время как свой «бум» оно пережило в эпоху развития цифровых технологий.

В прошлом году аддитивное производство начало набирать обороты в медицинской сфере. Отчасти это связано с открытиями, совершенными в последние годы, крупными инвестициями и появлением новых передовых технологий.

2. Здравоохранение развивается вместе с аддитивным производством

В сфере медицины на аддитивные технологии стали возлагать большие надежды. Результат: сегодня это одна из самых финансируемых областей исследований. В определенной степени это связано с влиянием сектора частного здравоохранения. Быстрое развитие технологии 3D-печати и неизменно высокий уровень спроса вынудили такие компании, как Siemens и Medtronics, вложить крупные суммы денег в научно-исследовательские работы, чтобы опередить других игроков на рынке.

Также у медицинской индустрии есть определенное экономическое преимущество перед другими сферами промышленности, когда речь заходит об инновациях. Возьмем, к примеру, железнодорожную и аэрокосмическую промышленность. Обе эти сферы связаны бюрократическими проволочками, правилами и требованиями местных органов власти. В частности, конструкция самолета должна отвечать нормам летной пригодности.

В медицине все по-другому. Здесь ученые всеми силами стараются раздвинуть границы невозможного в попытке повысить качество лечения. Разумеется, в этой сфере тоже есть свои требования к новой продукции. Например, в США каждый хирургический имплантат должен получить одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Уже было несколько случаев, когда оно предоставило разрешение на производство 3D-печатных имплантатов, в том числе 3D-печатных трахеальных шин, которые стали новой вехой в лечении респираторных заболеваний.

2.1 Развивающиеся области медицины

На данный момент существует три области медицины, в которых недавно начался заметный сдвиг благодаря применению аддитивных технологий:

Ортопедические устройства: с появлением аддитивного производства позвоночник, коленные и бедренные суставы, на которые оказывается наибольшая нагрузка и которые чаще всего требуют интенсивной терапии и даже замены, стали предметом для активных исследований. Есть надежда, что в будущем замена суставов 3D-печатными искусственными аналогами (которые в точности будут соответствовать оригиналу) станет обычным делом.

Протезы: протезы конечностей уже завоевали определенную популярность, однако на их изготовление уходит много времени, потому что все их детали нужно изготавливать по отдельности. Теперь с помощью 3D-печати можно одним махом изготовить целый протез, причем подогнать его под индивидуальные параметры пациента.

Биопечать: олицетворение одной из самых блестящих разработок человечества на сегодняшний день. Это будущее трансплантологии. Аддитивные технологии достигли такого уровня развития, что до искусственного изготовления тканей и органов рукой подать. По крайней мере, так говорят многие исследователи и ученые.

Хирургия - одна из самых сложных и требовательных отраслей медицины, и аддитивное производство не в силах изменить этого. Пусть робототехника смогла улучшить качество отдельных хирургических процедур, опытность хирурга по-прежнему остается на первом месте и будет оставаться там в обозримом будущем. Тем не менее, нельзя говорить, что аддитивное производство совсем ничего не может дать хирургии.

2.2 3D-печать - инструмент хирурга

Очевидно, что индивидуальные имплантаты будут встречаться в хирургии все чаще и чаще, ведь они идеально встают на место и не причиняют пациенту неудобств, что значительно сокращает потребность в повторных операциях.

Для начала необходимо оборудовать 3D-принтерами больницы и медицинские учреждения. Получив в свое распоряжение 3D-принтеры и научившись на них работать, хирурги смогут изготовить имплантат и установить его в кратчайшие сроки. Также применение аддитивной технологии поможет сократить стоимость операции. В странах, где не хватает специалистов, внедрение 3D-принтеров и проведение соответствующего инструктажа поможет хирургам спасти миллионы жизней.

2.3 Растущая доступность биосовместимых материалов

С появлением 3D-печатных имплантатов возросла потребность в биосовместимых материалах. К счастью, эта отрасль тоже очень сильно развилась за последние годы. Сегодня самым доступным материалом считается пластик, но имплантат из него не изготовишь: слишком он токсичный. Вот почему исследователи обратились к металлу, а на медицинском рынке начали появляться 3D-принтеры для печати металлами, по большей части благодаря стараниям таких крупных компаний из Германии и Швеции, как EOS, SLM и Arcam. С расширением ассортимента биосовместимых материалов растут и возможности имплантатов.

3. Проблемы, возникающие при 3D - печати и пути их решения

Ученые создали инновационный 3D-биопринтер, способный производить новые ткани для трансплантации. Для доказательства работоспособности своего изобретения ученые напечатали часть челюстной кости, мышцу, а также различные хрящевые структуры, в том числе и удивительно пропорционально точное человеческое ухо.

Спустя 10 лет разработок и исследований, команда ученых под руководством Энтони Атала из Института регенеративной медицины в Уэйк Форесте представила свое творение -- Систему печати интегрированных тканей и органов (IOPT). Как только трехмерный биопринтер пройдет все необходимые испытания и получит все сертификаты безопасности для использования в человеческих случаях, IOPT можно будет использовать для производства и замены поврежденных, утраченных или пораженных болезнью живых тканей пациентов. А так как в каждом отдельном случае перед собственно самим производством тканей проводится точный компьютерный анализ и моделирование, то система позволяет в индивидуальном порядке, с учетом уникальных особенностей анатомии пациента создавать новые ткани для замены. Детали об этом медицинском и технологическом прорыве были опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Биопринтеры работают по тому же принципу, что и более традиционные 3D-принтеры. Для производства тканей и органов здесь тоже используется технология сложной послойной печати. Однако вместо пластика, резины и металлов в качестве основного материала используются специальные биоматериалы, которые позволяют создавать максимально схожую с настоящей живую ткань.

Нынешняя проблема биопринтеров заключается в том, что они не могут производить ткани определенного размера и прочности. Конечный продукт получается весьма хрупким и структурно нестабильным, чтобы его можно было применять при хирургической трансплантации. Помимо этого, имеющиеся сейчас биопринтеры неспособны воспроизводить такие более тонкие структуры, как кровеносные сосуды. А без кровеносной системы клетки созданных тканей и органов не смогут получать жизненно необходимые питательные вещества и кислород.

Новая система биопечати позволяет решить все эти проблемы. Перед созданием новой ткани ученые создают специальную форму (макет) из биосовместимых полимерных материалов. После чего специальный нетоксичный для клеток гель на водной основе и доставляет новые клетки к этой структуре. Временная внешняя форма позволяет удерживать форму печатаемого объекта до завершения процедуры. Для решения вопроса ограничения размеров создаваемой ткани исследователи применили специальную систему микроканалов, по которым к клеткам будут доставляться питательные вещества и кислород.

Для проверки напечатанных биочастей исследователи провели ряд экспериментов на живых животных. Под кожу лабораторных мышей ученые имплантировали человеческие уши. Спустя два месяца после операции уши сохранили свою форму. При этом вокруг них образовалась новая хрящевая ткань и система кровеносных сосудов. Напечатанные ткани мышц ученые имплантировали лабораторным крысам. Как и созданные искусственным уши, мышцы тоже сохранили свою первоначальную структурную прочность и особенности.

Далее ученые использовали стволовые клетки для создания челюстных костей, которые после печати были имплантированы в лабораторных крыс. Спустя пять месяцев из этих структур развилась костная васкуляризованная ткань. В будущем напечатанные кости можно будет использовать для лицевых реконструкций у людей.

Атала отмечает, что созданные его командой исследователей 3D-напечатанные ткани имеют правильную форму, прочность и обладают функциями и особенностями, которые позволяют использовать ткань в человеческих случаях. Созданная ими система трехмерной биопечати позволяет создавать пропорционально правильные, структурно стабильные ткани практически любой формы, а предварительное компьютерное моделирование помогает подобрать нужные варианты с учетом точных физических требований пациента.

Как только система докажет свою безопасность и эффективность на официальном уровне, то ученые, вполне вероятно, перейдут к человеческим испытаниям.

4. Моделирование коронок и мостовидных протезов

Традиционные методы с использованием литья, воска и длительных доработок уходят в прошлое. Многочисленные ручные операции требуют массу времени, высокой квалификации и в итоге не гарантируют необходимую точность. Применимая для этих задач аддитивная технология проста, точна, удобна в использовании, позволяет значительно сократить время подготовки и изготовления, и, кроме того значительно удобней для хранения и работы с данными, обеспечивая стопроцентную повторяемость изготовления стоматологических изделий (что важно в случае их поломки или утери). Полученные модели максимально соответствуют форме и положению в полости рта. А быстрое цифровое производство позволит оперативно подобрать необходимые параметры и геометрию будущих протезов, а самое главное, -- в точности с представлением хирурга и ожиданиями пациента. Сканирование, обработка файлов и печать -- всего три автоматизированные операции в технологическом процессе, и на выходе -- качественный результат.

4.1 Литьевые модели частичных съемных пластинчатых протезов

Этот процесс, один из самых технически сложных в зубном протезировании, становится с использованием 3D-печати более легким, предсказуемым и в какой-то мере даже обыденным. Материал MED610, будучи биосовместимым, может быть еще использован для получения литьевых моделей съемных частичных протезов из хромокобальтовых зубных каркасов.

4.2 Изготовление диагностических моделей

Диагностические модели зубов, напечатанные на основе отсканированных индивидуальных слепков, либо полученных напрямую из ротовой полости при помощи цифровых технологий, необходимы для точных измерений и подбора элементов лечебной аппаратуры. Данные сканирования, либо сами слепки передаются в специализированные лаборатории 3D-печати, и там по ним получают готовые диагностические модели. Это позволяет использовать все преимущества современных цифровых технологий даже при отсутствии специального оборудования в самой клинике. Для создания диагностических моделей применяют материал VeroGlaze (MED620), который сертифицирован по ISO для использования в ротовой полости. Оттенки материала позволяют добиться лучшего соответствия натуральным цветам.

4.3 Хирургические кондукторы и шаблоны

Это специальная съемная оснастка, позволяющая хирургу во время операции точно позиционировать место и направление ввода имплантата -- строго индивидуальных параметров для каждого пациента, исходя из особенностей строения челюстей. Шаблоны бывают двух типов.

Хирургический шаблон с направляющими втулками малого диаметра для сверления.

Имплантологический шаблон со втулками большого диаметра, что позволяет через них не только сверлить, но и устанавливать имплантаты без снятия шаблона.

Доктор выбирает вариант шаблона исходя из клинической ситуации.

Удобство и преимущество применения цифровой технологии заключается в том, что вся информация от обработанного компьютерно-томографического снимка до непосредственно создания шаблона, содержится в едином формате. После печати на 3D-принтере в шаблон запрессовываются титановые втулки, которые точно определяют направление и глубину сверления. Иногда там же предусматривают втулки для фиксирующих винтов для обеспечения жесткого крепления шаблона на челюсти. Изделие можно использовать практически сразу после изготовления. Существенное достоинство -- это то, что шаблон собирается в одном месте, быстро, точно и не требует специализированной лаборатории. Наиболее широко используемый материал для печати хирургических шаблонов -- MED610.

5. Материалы и каркасы

Первоначально технологии 3D печати были разработаны для небиологического применения, такого как осаждение металлов, керамики и термопластичных полимеров, и обычно включали использование органических растворителей, высоких температур или связывающих агентов, которые не совместимы с живыми клетками и биологическими материалами. Таким образом, одной из основных проблем в области 3D биопечати был поиск материалов, которые не только совместимы с биологических материалами и процессом печати, но и могут обеспечить требуемые механические и функциональные свойства тканевых конструкций.

Материалы, используемые в настоящее время в медицине для восстановления и регенерации, преимущественно создаются либо на основе материалов природного происхождения (в том числе полимеров альгината, желатина, коллагена, хитозана, фибрина и гиалуроновой кислоты, часто выделенного из животных тканей), либо из синтетических молекул (полиэтиленгликоля; PEG112-115). Преимуществом природных полимеров для 3D биопечати и других приложений для тканевой инженерии являются их сходство с человеческим межклеточным матриксом и свойственная им биологическая активность. Преимуществом синтетических полимеров является то, что они могут быть адаптированы по специфическими физическими свойствами в соответствии с конкретными приложениями. Проблемы при использовании синтетических полимеров включают плохую биосовместимость, токсичные продукты распада и потерю механических свойств при распаде. Тем не менее, синтетические гидрогели, которые являются гидрофильными и абсорбирующими, подходят для 3D биопечати, используемой в интересах регенеративной медицины, благодаря легкости контроля за их физическими свойствами в процессе синтеза. Так как разнообразие биологических материалов для медицинских приложений увеличивается, список желательных черт для печатных материалов становится более конкретным и сложным.

Материалы должны иметь соответствующие механизмы соединения для содействия осаждению биопринтером, должны быть биологически совместимы для долгосрочной трансплантации и иметь соответствующие характеристики набухания и краткосрочной стабильности. Краткосрочная стабильность необходима для поддержания первоначальных механических свойств, исключая коллапс тканевых структур, таких как поры, каналы и сети. Так как напечатанные с помощью 3D-технологий ткани развиваются in vivo, они должны быть доступны ремоделированию, облегчая формирование структур, управляемых клеточными и физиологическими потребностями. Самое главное, материалы должны поддерживать пролиферацию, клеточную адгезию и функционирование клеток. Атрибуты пригодности к печати, биосовместимость, кинетики и побочных продуктов распада, структурных и механических свойств, и материальной биомимикрии.

5.1 Биологическая совместимость

С развитием тканевой инженерии цель биосовместимости также сменила акценты: от разработки имплантируемого материала, способного сосуществовать с эндогенными тканями без создания нежелательных локальных или системных эффектов в организме реципиента, до создания материалов, что не только не будут препятствовать нормальному функционированию организма, но и смогут активно влиять на физиологические показатели. Биосовместимость для процесса биопечати означает активный и контролируемый вклад компонентов в функциональность всей конструкции. Это может проявляться во взаимодействии с тканями организма иили иммунной системой, поддержании необходимой клеточной активности и позитивном воздействии на молекулярные или механические сигнальные системы - все это крайне важно для успешной трансплантации и функционирования модели.

5.2 Кинетика распада и побочные продукты

В ходе деградации каркас из материалов клетки, что входят в его состав, начинают синтезировать протеазы, а со временем и протеины внеклеточного матрикса, что определяют образование новой ткани. Очень важно, чтобы кинетика распада была контролируема. Некоторые аспекты процесса деградации подлежат особому рассмотрению. Во-первых, необходимо контролировать уровень деградации, в идеале -- согласовывать уровень деградации со способностью клеток заменять материалы на синтезируемые ими же протеины внеклеточного матрикса. Этот аспект остается проблемным, поскольку функциональные и механические характеристики материалов, подходящих для определенной ткани, могут не совпадать с уровнем синтеза клеточных компонентов для замещения деградируемых веществ. Побочные продукты процесса деградации также являются важными, потому что довольно часто они определяют уровень биосовместимости каждого конкретного материала. Продукты распада должны быть нетоксичными, легко метаболизироваться и быстро выводиться из организма. Токсичные продукты- это не только протеины и молекулы, а также физиологически недопустимый рН, температура или другие факторы, что могут негативно повлиять на жизнеспособность и функциональность клеток. Например, некоторые полимеры с большой молекулярной массой, которые в целостном состоянии являются инертными, при определенных условиях могут распадаться на олигомеры или мономеры, которые будут распознаваться клетками и могут привести к, например, воспалению или другому нежелательному исходу. Также большое значение имеют показатели набухаемости и сократительные характеристики материалов, используемых в тканевой инженерии. Например, материалы с повышенным уровнем набухаемости потенциально могут привести к абсорбции жидкости из окружающих тканей, а сокращение может стать причиной закрытия пор в сосудах, что сделает миграцию клеток и обмен питательными веществами невозможными.

6. Перспективы биопечати

Большинство проблем, которые предстоит решить в сфере биопечати, связаны с особыми техническими, материальными и клеточными аспектами самого процесса.

В то же время, несмотря на то, что эта техника в данный момент находится на ранней ступени своего развития, ученым уже удалось создать некоторые ткани в масштабе тела человека, обладающие приближенными к необходимым для трансплантации свойствами.

Для реализации всего потенциала биопечати необходим прогресс в некоторых технологических сферах, а также в развитии понимания биологических и биофизических основ процесса регенерации in vivo. В таблице перечислены некоторые области, дальнейшие исследования в которых являются крайне необходимыми

Заключение

Большинство открытий в сфере аддитивных технологий защищено патентными законами. Тем не менее, в ближайшее время срок действия многих патентов подойдет к концу, и у производителей появится шанс бесплатно обновить свои разработки и даже придумать что-то новенькое.

Аддитивное производство уверенно захватывает разные сферы нашей жизни. Благодаря сокращению расходов на оборудование и развитию производства пластика в Китае в последнее время общая стоимость аддитивного производства резко сократилась. Это очень важный момент для разных отраслей промышленности, в частности медицинской, ведь теперь средства можно пустить на открытие и разработку новых технологий.

3D-биопечатные модели тканей используются не только для целей трансплантологии, но и для изучения влияния наркотических агентов, анализа химических, биологически активных и токсичных веществ, а также для базовых исследований. В ходе движения на пути от простого к более сложному (двухмерные ткани, например, кожа -> кровеносные сосуды -> полые органы, например, мочевой пузырь -> паренхиматозные органы - почки), исследователям предстоит столкнуться с чрезвычайно серьезными проблемами, включая требования к материалам и клеткам, процессы созревания и функционирования тканей, необходимость васкуляризации и иннтервации.

Таким образом, комплексные исследования крайне необходимы для решения этих проблем и дальнейшей реализации всего потенциала 3D-биопечати и, как результат, кардинального преобразования сферы регенеративной медицины.

Список использованных источников

1 Конструктор. Машиностроитель, журнал [Электронный ресурс] / К. Я. Крамарчук.; Режим доступа: http://konstruktor.net/podrobnee-det/additivnye-texnologii-v-rossijskoj-promyshlennosti.html, свободный.

2 Make 3D [Электронный ресурс] / Авалова, Е.Д.; - Электрон. дан. Санкт - Петербург, 2015.; Режим доступа: http://make-3d.ru/articles/chto-eto-takoe-additivnye-texnologii/, свободный.

3 MedachPro [Электронный ресурс] / Биоинженерия. Гистология. Лесина, Е.А.; Режим доступа: http://medach.pro/innovations/bioinzheneriya/3d-bioprinting-of-tissues-and-organs/, свободный.

4 «Наука и жизнь» 2005 - 2016 [Электронный ресурс] / Петров, И.Э.; АНО Ред. жур. «Наука и жизнь» - Электрон. дан. Москва 2015.; - 1с.; Режим доступа: http://www.nkj.ru/archive/articles/23328/, свободный.

5 «Умное производство» [Электронный ресурс] / Е.П. Гринин, Д.Е. Трубашевский.; - Электрон. дан. Москва 2016.: Режим доступа: http://www.ddmlab.ru/company/smi-o-nas/ispolzovanie-additivnykh-tekhnologiy-v-sovremennoy-meditsine/, свободный.

6 «Вечная молодость» 2005 - 2015 [Электронный ресурс] / Собакин,Т.Я.; Научно - популярный портал «Вечная молодость» - Электрон. дан. Санкт-Петербург 2016.: Режим доступа:

http://www.vechnayamolodost.ru/articles/biznesmenu-na-zametku/additivnye-tekhnologii-dlya-meditsiny/, свободный.

Размещено на Allbest.ru