3D-печать

Дата публикации : 03 October 2024

Опубликовано : Ipseeta Dash

3D-печать — не новая концепция. Она зародилась в 1980-х годах. Она не только произвела революцию в обрабатывающей промышленности, но и оказала влияние на другие отрасли, такие как строительство, космические путешествия и здравоохранение. В медицинской сфере 3D-печать широко используется в ортопедии, педиатрии, радиологии, онкологии и других отделениях для изготовления протезов, органов-заменителей и медицинского оборудования.

Что такое 3D-печать? Как она развивается?

Индустрия здравоохранения на пороге триумфа?

3D-печать — это метод аддитивного производства, при котором послойно создается трехмерный объект по цифровому чертежу с использованием таких материалов, как металлы, пластмассы и керамика.

Хотя существуют компании, занимающиеся 3D-печатью и создающие подобные объекты в больших масштабах, производство медицинских изделий по запросу осуществляется непосредственно в местах оказания медицинской помощи пациентам в рамках так называемого производства на месте. Эти изделия изготавливаются в соответствии с физическими и индивидуальными потребностями пациента. Они легче, прочнее и безопаснее по сравнению с изделиями, изготовленными традиционными методами. Их производство занимает меньше времени – то, что раньше занимало неделю, теперь занимает менее дня.

Сегодня число больниц, имеющих собственные цеха 3D-печати, неуклонно растет. В США, по данным Американской ассоциации больниц (AHA), количество таких больниц увеличилось с 5754 в 2010 году до 6093 в 2020 году (см. рисунок 1). Даже FDA регулярно одобряет медицинские изделия, изготовленные с использованием технологии 3D-печати.

Технология 3D-печати

Приложения, тенденции и вызовы

Имплантаты и протезирование

3D-печать металлом помогает в производстве прочных имплантатов с лучшим соответствием и функциональными характеристиками для коленей, позвоночника, тазобедренных суставов и черепа.

При использовании технологии электронно-лучевого плавления (ЭЛМ) металл плавится слой за слоем с помощью электронного пучка, что позволяет создавать прецизионные имплантаты. Эти имплантаты имитируют губчатость обычной костной ткани, что позволяет им интегрироваться в костную структуру. С другой стороны, 3D-печатные онкологические протезы широко используются онкологами для создания различных частей человеческого тела, которые перестали функционировать в результате воздействия рака.

Протезы доступны повсюду в стандартных размерах, но изготовление их по индивидуальному заказу традиционными методами требует тысяч долларов и длительного времени. Это затрагивает детей, которые вырастают из своих протезов и нуждаются в индивидуально изготовленных запасных частях.

В 2016 году Лайман Коннор и Эдуардо Сальседо создали протез Mano-matic от компании Lyman, предлагающий бионические протезы, напечатанные на 3D-принтере, для пациентов, которые не могут позволить себе обычные протезы. Они стоят дешевле и изготавливаются быстрее.

Цифровая стоматология

В стоматологии 3D-печать используется для изготовления зубных протезов, хирургических шаблонов, моделей мостовидных протезов и невидимых элайнеров. Ранее эти прозрачные элайнеры изготавливались с помощью сочетания ручных и фрезерных процессов, что было трудоемким. Технология 3D-печати ускорила этот процесс, поскольку индивидуальные слепки могут быть изготовлены на основе цифрового сканирования пациентов.

Согласно отчетам, к концу 2027 года объем рынка зубных имплантатов, изготовленных с помощью 3D-печати, достигнет почти 8,8 миллиардов долларов США, а ежегодно будет производиться более 450 миллионов стоматологических устройств и протезов.

Анатомические модели

С помощью 3D-принтеров специалисты могут создавать точные копии частей человеческого тела, полученные с помощью МРТ и КТ, например, 3D-печатный большой палец, что позволяет хирургам заранее подготовиться к сложным операциям. Например, в 2016 году ребенку в Ирландии потребовалась операция по улучшению ротации предплечья. КТ и рентгеновские снимки показали деформацию костей. Но хирург решил распечатать 3D-модель пораженной части для дальнейшего исследования. Он обнаружил, что ротации руки препятствовало нечто другое, а не деформированные кости, как показали снимки. После обнаружения истинной причины операция заняла менее 30 минут, вместо первоначально запланированных 4 часов на остеотомию. Пациент смог восстановить 90% ротации в руках за 4 недели. Время восстановления, боль и рубцы значительно уменьшились.

В отчете 2020 года было подтверждено целесообразность использования 3D-анатомических моделей в качестве хирургических ориентиров, и было заявлено, что это сокращает время операции более чем на 60 минут, до 2,5 часов, что приводит к экономии около 3500 долларов США на каждой операции.

Медицинские изделия

Подавляющее большинство из 50 ведущих компаний-производителей медицинского оборудования используют 3D-печать для создания точных прототипов медицинских изделий. Эта технология играет жизненно важную роль в быстром внедрении медицинского оборудования, тем самым преодолевая проблемы с цепочками поставок.

Хирургические инструменты, такие как рукоятки скальпелей, щипцы и зажимы, изготавливаются методом 3D-печати из различных материалов, таких как нержавеющая сталь, нейлон, титановые сплавы или никель, в зависимости от требований хирурга. Эти инструменты помогают врачам проводить более качественные и эффективные операции.

Немецкий производитель медицинских изделий Endocon GmbH использует металлический 3D-принтер для создания хирургических инструментов для удаления вертлужной впадины. Ранее эта процедура выполнялась с помощью долота, что могло повредить ткани и кости. Инструмент endoCupcut от Endocon, изготовленный из нержавеющей стали, позволяет с большей точностью разрезать вертлужную впадину за три минуты.

В борьбе с пандемией COVID-19

Было отмечено значительное увеличение использования 3D-печати для производства различного одноразового медицинского оборудования. С помощью технологии 3D-печати и медицинского пластика были изготовлены различные изделия для использования медицинскими работниками и пациентами (см. Рисунок 2). Рынок 3D-печати в здравоохранении резко вырос во время глобальной пандемии, поскольку на медицинские учреждения оказывалось сильное давление с целью быстрого внедрения средств индивидуальной защиты (СИЗ) и медицинских изделий.

Группа исследователей из Университета здравоохранения и науки штата Орегон отреагировала на глобальный дефицит аппаратов искусственной вентиляции легких, разработав недорогие аппараты, которые можно быстро изготавливать с помощью технологии 3D-печати.

Регенеративная медицина

Во всем мире растет число пациентов, нуждающихся в органах, в то время как донорских органов не хватает. Регенеративная медицина направлена ​​на создание органов для трансплантации с использованием каркасов, биоматериалов или клеток, что снижает зависимость от доноров органов.

В 2019 году ученые Тель-Авивского университета создали первое трехмерное сердце, используя биологические материалы пациента. Крошечная копия была размером с сердце кролика. Они считают, что ту же технологию можно использовать для создания более крупных человеческих сердец.

Несмотря на то, что для 3D-биопечати и трансплантации сложных органов, таких как сердце или печень, необходимо преодолеть множество препятствий, такие органы, как мочевой пузырь, разрабатывались и трансплантировались с начала XXI века.

Точная медицина

3D-принтеры в аптеках и больницах позволяют фармацевтам, врачам и медсестрам дозировать лекарства и выбирать систему их доставки, исходя из веса, возраста, образа жизни и пола пациента. Препарат Spritam компании Aprecia Pharmaceuticals, предназначенный для лечения эпилепсии, стал первым лекарством, одобренным FDA для 3D-печати.

Пациентам с несколькими заболеваниями приходится принимать множество лекарств в разное время суток, что затрудняет соблюдение режима. Полипилюли, напечатанные на 3D-принтере, содержат множество отсеков для лекарственных препаратов и имеют различные профили высвобождения, что позволяет учитывать разные дозировки лекарств, а также взаимодействие между ними, устраняя необходимость в планировании и тщательном мониторинге.

Оптимизация научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, исключающая необходимость тестирования на животных.

Фармацевтическая промышленность ежегодно тратит более 55 миллиардов долларов США на исследования и разработки. Благодаря биопечати исследователи могут воспроизводить органы и другие части человеческого тела для проверки эффективности лекарств без необходимости экспериментировать на животных или людях. Биопечатные ткани и органы широко используются для повышения вероятности успеха клинических испытаний, уменьшения вреда, причиняемого животным, а также для оптимизации и ускорения всего процесса исследований и разработок.

Искусственный интеллект в 3D-печати

Интеграция искусственного интеллекта в 3D-печать кардинально меняет подход компаний к управлению производственными процессами. От проектирования и разработки продукции до ее производства и использования, технологии ИИ могут оптимизировать всю цепочку поставок. Автоматизируя процесс печати, ИИ может свести к минимуму вероятность человеческих ошибок.

Роль FDA в регулировании

Технология 3D-печати в здравоохранении

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) регулирует продукцию, изготовленную с использованием 3D-печати, а не сами 3D-принтеры. Регулирование зависит от типа продукта, который печатается с использованием различных материалов (см. рис. 3), его применения и связанных с ним рисков для безопасности.

3D-печать создает проблемы с контролем из-за децентрализованного производства персонализированных изделий, таких как медицинские имплантаты, создаваемые с помощью 3D-печати организациями или отдельными лицами, которые могут иметь ограниченные знания о правилах FDA. FDA прилагает все усилия для обеспечения соблюдения производителями этических норм производства и соответствия продукции стандартам безопасности. Однако, когда 3D-печать осуществляется непосредственно в месте оказания медицинской помощи, контроль может быть затруднен.

Проблемы с возмещением расходов

Одобренный FDA 3D-печатный спинальный имплантат может подлежать возмещению расходов, но 3D-модели анатомии пациента, напечатанные до операции, могут не подлежать возмещению. Отсутствие возмещения может стать серьезным препятствием для больниц, планирующих создать лаборатории 3D-печати. ​​К счастью, медицинские организации стремятся изменить существующее положение дел. Американская медицинская ассоциация (AMA) недавно утвердила четыре кода текущей процедурной терминологии (CPT) категории III, которые регулируют возмещение расходов на 3D-печатные анатомические модели и персонализированные 3D-печатные инструменты для резки или сверления.

Глобальные перспективы 3D-печати

Технологии в здравоохранении

Ожидается, что рост 3D-печати на рынке здравоохранения будет обусловлен растущим спросом на имплантаты и протезы во всем мире, а также растущей потребностью поставщиков медицинских услуг в снижении стоимости медицинских услуг (см. Рисунок 4). Благодаря тому, что разработчики будут создавать продукцию по запросу, уровень запасов резко снизится. Например, больницы США ежегодно производят более 2,2 миллиона тонн медицинских отходов. Большая часть этих «отходов» — это неиспользованные медицинские принадлежности и оборудование. Иногда эти вполне пригодные к использованию медицинские изделия даже не извлекаются из упаковки, прежде чем их заменяют более новыми моделями.

Азиатско-Тихоокеанский регион добивается огромных успехов на рынке 3D-печати. ​​По прогнозам, в ближайшие несколько лет на 3D-печать будет потрачено более 3,5 миллиардов долларов США , а темпы роста составят 18,5%, что является самым высоким показателем по сравнению с Северной Америкой и Европой. До недавнего времени регион неохотно внедрял 3D-печать в полном объеме, но растущий интерес к этой технологии со стороны производственных компаний и запуск множества стратегий и политик правительствами побудили ряд стран региона создать благоприятные условия для развития 3D-печати.

Китай является лидером в области 3D-печати среди азиатских стран. В 2018 году его рынок оценивался в 1,75 миллиарда долларов США. Помимо Китая, Южная Корея, по-видимому, представляет собой огромный рынок для 3D-печати. ​​В Азиатско-Тихоокеанском регионе еще много нераскрытого потенциала для широкомасштабного внедрения и развития 3D-печати.

Среднегодовой темп роста различных рынков, связанных с 3D-печатью, в

Здравоохранение в период 2023-2035 годов

Будущее 3D-печати

Технологии в здравоохранении

Ожидается, что настольная стереолитография позволит медицинским специалистам разрабатывать новые точные и доступные устройства и продукты для обеспечения справедливого здравоохранения во всем мире.

Благодаря достижениям в технологиях 3D-печати и доступности различных типов материалов для 3D-печати, качество и уровень персонализации медицинской помощи значительно возрастут. 3D-печать открывает новые возможности для инноваций в здравоохранении, но для полного использования преимуществ этой технологии необходимо решить проблемы, связанные с возмещением затрат, регулированием и безопасностью.

3D-печать станет одной из ключевых технологий, которая в долгосрочной перспективе приведет к захватывающей и в то же время стоящей трансформации современной системы здравоохранения.