ПЕРСПЕКТИВЫ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СОВРЕМЕННОЙ МЕДИЦИНЕ

THE ROLE OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN MODERN MEDICINE

Igor Cherednikov

Chief operator of the biomedical research department,

Russia, Anapa

Daniil Tsiluiko

Junior researcher of the biomedical research department,

Russia, Anapa

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлено информационное исследование перспектив применения аддитивных технологий в медицине. Рассмотрены различные технологии 3D-печати, их применение в медицине, стоматологии и ортопедии, а также их преимущества и недостатки. Определены перспективы использования аддитивных технологий в области биомедицинской инженерии.

ABSTRACT

This paper presents an informational study of the prospects for the application of additive technologies in medicine. Various 3D printing technologies, their application in medicine, dentistry and orthopedics, as well as their advantages and disadvantages are considered. The prospects for the use of additive technologies in the field of biomedical engineering are determined.

Ключевые слова: аддитивные технологии; ортез; имплант; 3D-печать; полимерный протез.

Keywords: additive technologies; orthosis; implant; 3D printing; polymer prosthesis.

Актуальность данного исследования обусловлена широкой популярностью аддитивных технологий в современной жизни. За счёт большой гибкости аддитивное производство вытесняет традиционные способы производства и позволяет изготавливать детали с помощью трехмерных компьютерных данных, содержащих информацию о геометрии объекта [1, c. 260]. Печать на 3D-принтере нашла применение в таких отраслях, как машиностроение, строительство, медицина, военное дело, аэрокосмическая промышленность, мода, архитектура, компьютерная индустрия и т.д.

 Целью данной работы является изучение основных перспектив аддитивных технологий в современной медицине.

В настоящее время аддитивные технологии в медицине широко используются при создании учебных макетов [2], имплантатов для восстановления костей [3] и различных видов протезов [4, с.706].

Основываясь на технологии обычной 3D-печати, 3D-биопринтеры могут создавать биологически функциональные ткани, распределяя слой за слоем биочернила и биогель, которые в определенных условиях дают функциональную копию ткани с нормальной метаболической активностью. Мочевые пузыри, трахеальные трансплантаты, кости и хрящи, изготовленные с помощью 3D-биопечати, доказали свою функциональность после разработки и имплантации в модели животных [5, с. 2003751].

В стоматологии для изготовления металлических зубных коронок, в частности, для зубных протезов и мостов в 3D-печати применяют метод послойного наложения (Fused Deposition Modelling, FDM), селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering, SLS) [6, с. 1] и ламинирование (Laminated object manufacturing, LOM).

FDM имеет потенциал для создания полимерных протезов с полыми, полуполыми или сплошными структурами [7, с. 124181] и обычно используется для изготовления неметаллических имплантатов, моделей для стоматологических исследований, ортодонтии, коронок, мостов и хирургических направляющих, применяемых в стоматологической хирургии [8, с. 517].

В исследовании [9, с. 2402571] представлены результаты применения технологий FDM и SLA (Stereolithography Apparatus) для создания биорезорбируемых полимерных зубных имплантатов, которые даже проявляют одонтогенные свойства. Для создания металлических зубных протезов [10, с. 4] перспективным методом является процесс прямого лазерного спекания металла (During Direct metal laser sintering, DLMS). Учёными ведутся исследования по разработке протезов с использованием аддитивных технологий, обладающих антимикробными свойствами [11, с. 1151].

С помощью аддитивных технологий стало возможным создать, так называемый, скаффолд - каркас, на котором стволовые клетки могут развиваться в новые кости. Скаффолды должны иметь точную форму пор, их размер и тип распределения для оптимального механического свойства, как у настоящей кости. Эта проблема может быть решена с помощью аддитивного производства.

Кость имеет пористую и анизотропную структуру, а значит, плотность кости меняется в зависимости от её длины/ширины или высоты. Пористость кости способствует врастанию кости, а размер пор - пролиферации клеток [12, с. 232]. Кроме того, различные формы пор могут быть ответственны за изменение проницаемости, что может привести к различному врастанию кости [13, с. 112651], также врастание кости напрямую отвечает за развитие эффективных механических свойств. Исследователи показали, что прочность на сжатие и модуль Юнга можно изменять, просто контролируя пористость, форму и размер пор в скаффолдах [14, с. 224, 15, с. 2642].

SEM-анализ (Scanning electron microscope, сканирующая электронная микроскопия) показывает, что микросферы скаффолдов, изготовленных методом SLS, получаются хорошо сформированными и соединенными. С помощью данной технологии возможно изготовить скаффолды с низкоразмерными материалами в качестве добавок (углеродные нанотрубки, графен и наночастицы нитрида бора).

Технологию FDM используют для разработки и изготовления скаффолдов из полимерных и керамических композитов с механическими свойствами, аналогичными свойствам настоящей кости. Существенным недостатком данной технологии является необходимость постобработки изделий для достижения лучших механических свойств, так как в дело вступает характеристика усадки материала при печати.

Также, технологии 3D-печати нашли применение в ортопедии. Разработка ортезов с помощью аддитивного производства началась всего двенадцать лет назад, а их изготовление до сих пор осуществляется вручную. Благодаря использованию аддитивных технологий производство ортезов стало более экономичным и удобным [15с. 295].

В заключении хотелось бы отметить, что основными ограничениями использования аддитивных технологий в медицине остаются проблемы с правовым и финансовым регулированием, а также высокой стоимостью технологий. Эксперты отмечают не только дороговизну самих 3D-принтеров и их обслуживания, но и высокую стоимость программного обеспечения. Кроме того, среди сдерживающих факторов можно выделить отсутствие стандартизированных методов тестирования материалов и высокую стоимость сырья. Так же, шероховатость, связанная с напечатанными деталями, зачастую является неудовлетворительной и требует механической доработки.

Несмотря на вышесказанное, спрос на 3D-печать органов продолжает расти высокими темпами в области трансплантации. Развитие новых технологий в области биомедицинской инженерии может предоставить некоторые решения данного вопроса, так как с появлением 3D-биопечати потенциальная разработка тканей или трансплантатов органов из аутологичных клеток может оказаться в пределах досягаемости в ближайшем будущем.

Список литературы:

1. Additive manufacturing technologies: Industrial and medical applications // Rouf S., Malik A., Navdeep S. [et al.] // Sustainable Operations and Computers – 2022. – Vol. 3. – P. 258-274. doi: 10.1016/j.susoc.2022.05.001
2. Медицинский симулятор для подготовки рентген-лаборантов: экспериментальная работа / Маркин И.В., Александров К.С., Варламова Н.В., Потапов П.К., Журбин Е.А., Матыцин А.Н., Ширшин А.В., Щелканова Е.С. // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. – 2023. – Т. 30, № 3. – С. 335–346
3. Морозов А.В., Журбин Е.А., Цилуйко Д.Ю., Голубев Е.С., Ершов Р.С., Щелканова Е.С., Маркин И.В. Пресс медицинский для создания имплантатов костей черепа // Патент России № 2790470. С2. 2023
4. Freeman F. E., Burdis R., Kelly D. J. Printing new bones: from print-and-implant devices to bioprinted bone organ precursors // Trends in Molecular Medicine. – 2021. – Т. 27. – №. 7. – P. 700-711. doi: 10.1016/j.molmed.2021.05.001
5. Shapira A., Dvir T. 3D tissue and organ printing—hope and reality // Advanced Science. – 2021. – Т. 8. – №. 10. – P. 2003751. doi: 10.1002/advs.202003751
6. 3D Printing —Encompassing the facets of dentistry / G. Oberoi, S. Nitsch, M. Edelmayer, [et al.] // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. – 2018. – Vol. 6. – № 172. doi: 10.3389/fbioe.2018.00172
7. Polymers in 3D printing of external maxillofacial prostheses and in their retention systems / Generalova A. N., A. Vikhrov, A. Prostyakova [et al.] // International Journal of Pharmaceutics. – 2024. – P. 124181. doi: 10.1016/j.ijpharm.2024.124181
8. A comprehensive review on additive manufacturing of medical devices / L. R. R. da Silva, F. S.Wisley, F. B. Borgohain [et al.] // Progress in Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 6. – №. 3. – P. 517-553. doi: 10.1007/s40964-021-00188-0
9. 3D‐Printed Polymeric Biomaterials for Health Applications / Y. Zhu, S. Guo, D. Ravichandran [et al.] // Advanced Healthcare Materials. – 2025. – Vol. 14. – №. 1. – P. 2402571. doi: 10.1002/adhm.202402571
10. Management of Repeated Denture Fracture Through Direct Metal Laser Sintering Metal Reinforced Denture / Rathee M., S. Singh, M. Alam [et al.] // Journal of Clinical & Diagnostic Research. – 2023. – Vol. 17. – №. 3. doi: 10.7860/JCDR/2023/59227.17587
11. An Antibacterial-Loaded PLA 3D-Printed Model for Temporary Prosthesis in Arthroplasty Infections: Evaluation of the Impact of Layer Thickness on the Mechanical Strength of a Construct and Drug Release / C. Tamarit-Martínez, L. Bernat-Just, C. Bueno-López [et al.] // Pharmaceutics. – 2024. – Vol. 16. – №. 9. – P. 1151. doi: 10.3390/pharmaceutics16091151
12. Zadpoor A. A. Bone tissue regeneration: the role of scaffold geometry // Biomaterials science. – 2015. – Vol. 3. – №. 2. – P. 231-245.
13. The contribution of pore size and porosity of 3D printed porous titanium scaffolds to osteogenesis / Y. Zhang, N. Sun, M. Zhu [et al.] // Biomaterials Advances. – 2022. – Vol. 133. – P. 112651. doi: 10.1016/j.msec.2022.112651
14. The effect of pore size and porosity on mechanical properties and biological response of porous titanium scaffolds / C. Torres-Sanchez, F. Almushref, M. Norrito [et al.] // Materials Science and Engineering: C. – 2017. – Vol. 77. – P. 219-228. doi: 10.1016/j.msec.2017.03.249
15. Advances in orthotic and prosthetic manufacturing: a technology review / J. Barrios-Muriel, F. Romero-Sánchez, F. J. Alonso, D. R. Salgado // Materials. – 2020. – Vol. 13. – №. 2. – P. 295. doi: 10.3390/ma13020295