От деревяшки к титану: новые импланты ТРИНИТИ уже работают

Что общего у деревянной ноги пирата и сверхсовременного протеза, который напечатан на 3D-принтере? Оба они попытка человека преодолеть пределы возможного и восстановить утраченное. Правда, если раньше приходилось довольствоваться досками и крюками, то сегодня медицина предлагает нам что-то поинтереснее.

Проблема замены повреждённых конечностей стара как мир. Ещё древние египтяне пытались компенсировать потерю и мастерили протезы из дерева и кожи. Однако, всё это было, конечно, далеко от совершенства и часто приносило больше мучений, чем пользы.

Только в XX веке с развитием материаловедения и медицины появились первые действительно эффективные импланты. Впрочем, и тут всё было не шибко хорошо: их сложно делать, они не долговечные, да и организм их может не принять.

Сегодня медицина шагнула далеко вперёд. Появились высокотехнологичные импланты, которые пришли на смену примитивным конструкциям.

Яркий пример такого прогресса — разработка наших учёных из Росатома.

Там их печатают на принтере.

Титан из принтера

Вообще, 3D-принтеры давно перестали быть игрушками для гиков и стали инструментом для серьёзной науки и медицины.

Сейчас в Троицке, где расположен научно-производственный центр медицинских изделий, аддитивные технологии (это такой научный термин для 3D-печати) становятся основой для создания титановых имплантов.

Так можно создать имплант идеальной формы для каждого пациента. Как это делается? Врачи отправляют в лабораторию результаты КТ или МРТ, затем с помощью специальной программы от Росатома создаётся 3D-модель импланта.

Создание импланта начинается с проверки качества титанового порошка. Прежде чем загрузить этот самый порошок в принтер, учёные проверяют его на текучесть и гранулометрический состав.

И да, это реально важно: если порошок будет не той формы или качества, имплант получится не таким прочным, каким должен быть.

Когда всё проверено, порошок отправляется в принтер, и начинается печать. 3D-принтер слой за слоем выращивает имплант из титанового порошка, точь-в-точь как на компьютерной модели.

Такой имплант, между прочим, изготавливают за каких-то семь дней. Для сравнения: раньше это могло занять до двух месяцев!

Из этой недели два-три дня имплант проектируют, по одному дню приходится на печать и термообработку, и оставшееся время — на постобработку.

У нас практически безотходное производство. После печати в принтере остается порошок, его мы собираем и отправляем на рекуперацию: просушку и просеивание. После этого порошок можно снова загружать в принтер.

Два 3D-принтера для лаборатории поставил Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ) — один из других отраслевых институтов. На этих принтерах печатают имплантаты из чистого, нелегированного титана, а также из титанового сплава.

Чистый титан используется в челюстно-­лицевой хирургии — ​так безопасней, исключается влияние легирующих элементов на мозг пациента, ​У сплавов же механические свой­ства лучше, поэтому они больше подходят для имплантов нагруженных костей опорно-­двигательного аппарата, спинальных кейджей.

Секрет в биопокрытии

Да, сами по себе титановые имплантаты — это уже не новинка. Мы их знаем и любим за то, что они прочные, лёгкие и не ржавеют (ещё и приживаются неплохо). Иногда тело начинает «чудить» и отторгать имплант. Тут вступают в игру биопокрытия.

Эти покрытия наносят на поверхность импланта, чтобы организм воспринимал его как «своего» (что-то вроде «маскировки под кость»). Учёные Троицка не просто используют уже известные технологии, а разрабатывают собственные покрытия на основе октокальций фосфата.

Однако, как отмечает научный сотрудник Анна Угодчикова, само по себе такое покрытие не является биоразлагаемым, что замедляет процесс остеоинтеграции (то есть сращивания кости с имплантом).

Наше покрытие, помимо кальция и фосфора, также включает в себя кремний и магний. Эти элементы значительно ускоряют формирование костной ткани, делая процесс восстановления быстрее и эффективнее.

Имплант с таким покрытием быстрее приживается, помогает костям восстанавливаться и при этом не вызывает иммунного ответа. Сначала покрытие растворяется и выделяет минералы, а потом кость постепенно обрастает имплант, словно это родная часть организма.

Восстановление пациентов тоже происходит быстрее в 2-3 раза.

А импланты, которые изготовили в Троицке, уже устанавливают пациентам. Например, уже оперировали пятерых человек с использованием титановых имплантов, и всё прошло на ура.

От лаборатории к пациенту

Сама Лаборатория аддитивных технологий и биоинжиниринга, где всё это делают, открылась в научно-производственном центре медицинских изделий Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) всего год назад, но уже за такое короткое время там научились производить титановые импланты в полном цикле.

Образцы имплантов отправляют на исследования в ведущие медицинские учреждения страны: Первый Московский государственный медицинский университет имени Сеченова, Московский научно-исследовательский онкологический институт имени Герцена и Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени Гамалеи.

Там врачи и учёные проверяют биоактивные свойства протезов и проводят тесты на возможные цитотоксические эффекты, чтобы убедиться, что всё безопасно.

Сейчас в Троицке печатают только штучные имплантаты, так как для таких единичных изделий сертификация не нужна, но чтобы начать массовое производство, нужно разработать промышленную технологию и провести клинические испытания. Учёные планируют к 2030 году выйти на рынок с серийными титановыми имплантами с биопокрытием.

А что дальше?

И кстати, печать индивидуальных имплантов — это всего лишь начало. Учёные из ТРИНИТИ уже заглядывают далеко вперёд — в мир биофабрикации (буквально выращивания органов из живых клеток).

Как это работает? Клетки пациента культивируются до состояния сфероидов — небольших групп клеток (с ними просто проще работать). Эти сфероиды помещают в специальную среду, где их под воздействием магнитных и акустических полей собирают в нужную структуру.

Затем всё это помещается в биореактор, где клетки продолжают делиться. И вот, через несколько дней, эта структура превращается в настоящий орган.

Пока что учёные смогли вырастить кровеносный сосуд длиной 2 см, но планы у них, мягко говоря, амбициозные. В будущем они хотят печатать органы из клеток пациента — от щитовидной железы до печени. Заявляют, что и сердце смогут делать, но пока что это очень сложно (как и мозг, например).

Пока такие технологии кажутся чем-то из далёкого будущего, но что может быть круче, чем возможность создать орган из клеток пациента и не бояться отторжения или побочных эффектов?

Современные технологии развиваются так быстро, что уже через несколько лет мы будем считать это чем-то обыденным (ещё и нейросети к этому делу приспособят, хех).

Так что это самое далёкое будущее может быть уже не за горами.

Такие дела.