От протезов до продвинутой техники: как 3D-печать используется в медицине

Медицина — одно из основных направлений использования 3D-печати. Это именно та отрасль, которая динамично развивается и постоянно находится в разработке инноваций, способных продлить жизнь. То и дело в мире появляются новости о новых достижениях ученых в области медицины и 3D-принтинга. Здесь и печать прототипов органов для повышения точности и эффективности хирургических операций, и печать протезов конечностей, имплантов (вплоть до черепной коробки), всевозможных стоматологических моделей.

Недавно мир поразили новости о напечатанном на 3D-принтере сердце на чипе — эта разработка позволит проводить медицинские исследования без участия людей и животных. А самая удивительная разработка ученых-медиков за последнее время – 3D-печать волне функциональных яичников, которые уже помогли родить бесплодным мышам. Сейчас эту разработку планируют протестировать на людях.

Фото: Everyday Health

Но многое из того, о чем читаем в новостях, пока что и остается на уровне новостей. Биопечать — это пока что в основном экспериментальные технологии, которые только отлаживаются и далеки от повсеместного практического использования. Не стоит забывать о том, что многие инновации создаются за рубежом и до российского рынка доходят нескоро. В России «медицинская» 3D-печать в основном используется по следующим направлениям: 3D-печать протезов, стоматологических шаблонов, а также печать корпусов и деталей для новых медицинских аппаратов.

Протезирование — отрасль, которая должна учитывать индивидуальные особенности человека. Представьте себе, что стоматологу нужно провести дентальную имплантацию, то есть вживить искусственный корень на место отсутствующего или больного зуба. Традиционный способ установки имплантов опирается на данные полученные с помощью рентгеновского исследования. По контрастности изображения на черно-белом 2D-снимке можно получить информацию о наличии кости на месте установки импланта и о приблизительной высоте кости, так как снимок делается под углом. Таким образом, имеется лишь примерная информация, и пациент должен полагаться на опыт и квалификацию хирурга. Ошибка в расчетах и в проведении операции может привести к неприятным последствиям: перфорации носовой пазухи или челюстной кости, повреждению нижнечелюстного нерва, которое угрожает парестезией (онемением губ и подбородка).

Фото: CubicPrints

3D-технологии позволяют минимизировать вероятность ошибки, они ускоряют и упрощают весь процесс.

Сначала с помощью 3D-сканера создается цифровая 3D-модель челюсти, которая идеально передает все индивидуальные особенности. На 3D-модели с помощью компьютерных вычислений в нужном месте и под нужным углом намечаются отверстия для имплантатов. Затем модель быстро печатается на 3D-принтере и используется в качестве навигационного шаблона, который как бы надевается сверху на челюсть пациента, и по направляющим отверстиям врач точно устанавливает имплантаты. При этом 3D-технологии позволяют не только повысить точность шаблона, но и сокращают временные и финансовые издержки на производство.

При производстве протезов конечностей работает аналогичный принцип — с помощью 3D-сканирования можно подогнать модель четко под параметры пациента. Сам протез можно отпечатать на 3D-принтере в среднем за 1-3 дня в зависимости от размера и технологии печати. При этом можно еще и разработать уникальный дизайн протеза, что легко сделать в цифровой 3D-модели. Вот, например, модели детских протезов от британской компании Open Bionics, которые сделаны в стиле героев из фильмов «Железный человек», «Холодное сердце» и «Звездные войны». Такие протезы позволяют детям почувствовать себя супергероями и справиться с понятными комплексами.

Фото: Open Bionics

Однако основным применением 3D-печати в медицине остается прототипирование и отладка новых аппаратов перед выпуском на рынок. Медицина — отрасль, которая меньше других прощает ошибки, потому что здесь в буквальном смысле решаются вопросы жизни и смерти. Неправильно сконструированный аппарат в лучшем случае не сможет помочь пациенту, в худшем — усугубит его состояние. Разработка медицинской электроники требует участия квалифицированных специалистов и большего количества потраченного времени и средств. Поэтому крайне важно тщательно протестировать устройство пред началом его использования широким кругом людей. При этом, конечно, хочется минимизировать временные и финансовые издержки при производстве. Вопрос времени в медицинской сфере стоит особенно остро: чем быстрее будет выпущен тот или иной аппарат, тем больше людей можно спасти или вылечить. Поэтому оперативное производство, которое возможно благодаря 3D-печати, здесь просто незаменимо.

Расскажем, как 3D-печать помогает в производстве медицинских устройств на примере нашего кейса по изготовлению корпуса для интеллектуального кардиорегистратора.

В конце прошлого года к нам обратился медицинский стартап ООО «СММ», который разработал инновационный интеллектуальный кардиорегистратор. Кардиорегистратор предназначен для длительного дистанционного мониторинга физиологических параметров человека: измеряет ЭКГ, дыхательную и двигательную активность. Полученные данные используются для диагностики пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

С задачей по производству корпусов для кардиосенсора ООО «СММ» и пришли в CubicPrints.

Конструкция предполагает четыре детали: основной корпус для электроники + крышка, корпус аккумулятора + крышка. Разработчики самостоятельно подготовили цифровые 3D-модели, по которым сперва был отпечатан прототип для проверки на собираемость. Поскольку модель довольно миниатюрная и требует высокой точности, прототип печатали из высокоточного пластика фотополимера.

Обработанная мастер-модель из фотополимера. Фото: CubicPrints

Первый же напечатанный прототип дал положительный результат по основным моментам сборки, и решено было отлить в силиконовые формы пробную партию пластиковых корпусов.

Силиконовые формы для литья. Фото: CubicPrints

Напечатанные из фотополимера детали использовались в качестве мастер-модели для снятия силиконовой формы, в которую заливался полиуретан, и тиражировались корпусные детали в выбранном изначально бирюзовом цвете.

Первая партия отлитых корпусов. Фото: CubicPrints

После тестирования первой отлитой партии была несколько изменена геометрия корпуса в пользу эргономики, усовершенствованы крепежные элементы электронного кабеля и скорректированы некоторые другие конструкторские решения. Также выяснилось, что для длительного непрерывного использования светлый бирюзовый цвет довольно маркий, поэтому решено было заменить его на серый.

Все изменения были быстро внесены в цифровую 3D-модель, и за день мы отпечатали новую мастер-модель из фотополимера, после чего отлили еще десяток комплектов.

Отлитый собранный корпус в сером цвете. Фото: CubicPrints

Испытания второй партии позволили еще больше оптимизировать конструкцию, в частности усовершенствовать фиксацию источника питания. Аккумулятор крепится к корпусу с помощью встроенных магнитов, чтобы можно было максимально быстро заменить батарею на ходу. Поэтому две части кардиорегистратора должны свободно соприкасаться друг с другом, «без щелчка» соединительных пазов.

Корпус кардиорегистратора и батарейного отсека. Фото: CubicPrints

Недавно мы закончили производство третьей партии в сером цвете с учетом всех конструкторских изменений. На данный момент последняя отлитая и укомплектованная электроникой партия используется в доклинических исследованиях в ряде медицинских учреждений и проходит сертификацию перед запуском крупного серийного производства и выводом на рынок.

Производственный процесс нескольких тестовых партий удалось уложить в сжатые сроки, в первую очередь, благодаря возможности легко внести изменения в цифровую 3D-модель и быстро напечатать на 3D-принтере усовершенствованную мастер-модель для снятия силиконовой формы и тиражирования.

Корпуса кардиорегистратора со встроенной электроникой. Фото: CubicPrints

Очевидно, что на сегодняшний день скорость 3D-печати позволяет значительно сократить срок производства и финансовые издержки, а в ряде случаев бывает просто незаменимой. Недавно мы с коллегами задались вопросом: а как вообще раньше, в до 3D-печатные времена, делали прототипы или мастер-модели для литья? Понятно, что что-то можно отфрезеровать, что-то вырезать, но если у модели сложная форма, то, скорее всего, потребуется довольно долгий процесс изготовления отдельных частей и дальнейшей кропотливой ручной сборки и доводки. Когда мы задали этот вопрос одним нашим заказчикам — крупному заводу пластмассовых изделий, которые печатают у нас прототипы, то получили ответ: да примерно никак. То есть права на ошибку и проверку конструкции нет. Если вдруг предстоит выпуск крупной партии, а инженер ошибся в расчетах, что-то неточно сконструировал, то ошибка выявится только после изготовления пресс-формы, которая стоит сотни тысяч рублей.

Подумав о том, сколько денег и времени тратилось впустую, мы в очередной раз порадовались технологическому прогрессу, который делает жизнь, мягко говоря, проще.

Материалы по теме:

Протезы кистей рук — это красиво. Фотографии

3D-принтер научили печатать биосовместимые кости и мышцы

Ученые смогли удешевить 3D-печать органов человека в 100 раз

В Нижнем Новгороде 3D-принтер спасает пальцы