Применение композиционных материалов в медицине. Учебное пособие

Преимущества струйного биопринтинга заключаются в невысокой стоимости струйных принтеров, а также в возможности одновременной печати несколькими типами клеток из нескольких форсунок. Для струйной печати в качестве

«биобумаги» используют биодеградируемые гидрогели с «температурным» типом полимеризации — переходящие из жидкого в гелеобразное состояние при повышении температуры от +15°С до +21°С. Процесс экструзии гидрогелей происходит последовательно слой за слоем и чередуется с послойным нанесением клеточного материала. К недостаткам данного метода относят невозможность применения гелей с высокой вязкостью, частое слипание и осаждение клеток в картридже, а также засорение отверстий в форсунках принтера.

При биопечати с применением лазера осуществляется прямой лазер-

индуцированный перенос одиночных клеток или тканевых сфероидов на полимерную подложку любой вязкости, что позволяет с высокой точностью располагать их в пространстве, не используя форсунки. Основными лимитирующими факторами данного метода считаются возможное деструктивное воздействие лазера на клетки, а также попадание микрочастиц металлов в напечатанный конструкт вследствие вапоризации металлической абсорбирующей подложки.

При биопечати, основанной на методе экструзии, послойное формирование тканевого трехмерного эквивалента осуществляется при передвижении механической платформы по двум направлениям по горизонтали, а по вертикали — с помощью подвижного экструдера (форсунки). Такой подход позволяет использовать спектр разнообразных материалов для биопечати: гидрогели из биосовместимых полимеров с большим диапазоном вязкости, неорганические компоненты, клетки, а также тканевые сфероиды. Так, данный метод биопечати был апробирован с применением гидрогелей на основе альгината, желатина, желатин-

метакриламида, коллагена, фибрина, то есть полимеров на основе гидрофильных макромолекул, способных к равновесному и обратимому набуханию в водных растворах. Тип полимеризации этих гелей различен: ионный (например, альгинат в

11

присутствии ионов кальция), химический (реакция при смешивании двух и более

химических агентов, например, фибриногена и тромбина), физический (с

воздействием на гидрогели УФ-излучения), pH-зависимый (например, для коллагена), температурный.

2.1 Материалы, используемые в биопечати

Вбиопринтинге применяются различные материалы для создания биочернил

иподдерживающих структур, необходимых для изготовления сложных биологических тканей и органов. Эти материалы обеспечивают условия для роста клеток, их организации и развития тканей.

Вот некоторые из основных материалов, используемых в 3D-биопринтерах.

1. Клетки:

▪ эмбриональные клетки;

▪ стволовые клетки;

▪ клеточные линии.

2. Биоматериалы:

▪гидрогели;

▪компоненты внеклеточного матрикса, такие как коллаген, фибрин и

ламинин;

▪биоразлагаемые синтетические полимеры типа PLA, PGA и PCL;

▪тканевые бесклеточные матриксы;

▪факторы роста и цитокины;

▪перекрестносшивающие агенты;

▪питательные вещества и кислород для напечатанных тканей;

▪биосовместимые чернила.

12

Выбор материалов зависит от конкретного применения и типа создаваемой ткани или органа. Исследователи и специалисты по биопечати продолжают изучать и разрабатывать новые материалы для повышения точности, биосовместимости и функциональности создаваемых с помощью 3D биопечати структур. Цель состоит в том, чтобы печатать ткани и органы, в точности имитирующие свойства естественных биологических структур, для решения широкого спектра биомедицинских и клинических задач.

2.2 Тканевая инженерия и регенеративная медицина

Трансплантация органов. 3D-биопринтинг должен привести к коренным изменениям в этом направлении. Исследователи усердно трудятся над созданием полностью функциональных органов (почек, печени, сердца), специально разработанных для отдельных пациентов. Это позволит резко снизить потребность в донорских органах, уменьшить вероятность их отторжения и повысить доступность жизненно важных методов лечения для выживания.

Замена и восстановление тканей. С помощью биопринтера можно создавать ткани и структуры, пригодные для пересадки или имплантации, включая кожные,

костные и хрящевые трансплантаты. Такие решения особенно полезны для пациентов с повреждениями, травмами или аномалиями тканей (рисунок 5).

13

Рисунок 5 – Первый в мире имплантат уха, напечатанный из собственных клеток пациента

Заживление ран и заменители кожи. 3D биопринтинг позволяет создавать искусственную кожу и ранозаживляющие конструкции, которые могут помочь в лечении пациентов с ожогами, хроническими ранами и нуждающихся в пересадке кожи.

Сосудистая ткань и кровеносные сосуды. Биопечатные кровеносные сосуды и сосудистые ткани дают возможность лечить сердечно-сосудистые заболевания и улучшать результаты операций и вмешательств, например,

Стоматология и черепно-лицевая хирургия. С помощью биопечати изготавливаются зубные имплантаты, искусственные зубы и индивидуальные черепно-лицевые имплантаты. Это помогает пациентам, которым требуется реконструкция зубов или лица.

Ортопедические приспособления. Биопринтинг используется в ортопедии для создания костных трансплантатов и индивидуальных имплантатов для замены суставов. Такие изделия могут быть подобраны в точном соответствии с анатомией пациента.

14

Офтальмология. Исследователи ведут работу над биопечатью роговичной ткани и структур для пересадки роговицы, что потенциально может восстановить зрение у людей с заболеваниями роговицы.

Нейронные ткани и восстановление нервной системы. 3D-биопринтеры применяются для создания конструкций из нервной ткани, таких как нервные проводники и нейронные скаффолды. Они могут помочь в регенерации нервов и лечении травм спинного мозга и нейродегенеративных заболеваний.

Испытания лекарственных препаратов и моделирование заболеваний.

Напечатанные на 3D принтере модели тканей (печени, сердца и легких)

используются для тестирования лекарств, проверки токсичности и моделирования заболеваний. Они обеспечивают более точную имитацию биологии человека,

снижая потребность в испытаниях на животных и потенциально ускоряя разработку лекарств.

Индивидуальная медицина. Биопринтинг позволяет создавать ткани и органы для конкретного пациента. Такая персонализация может повысить успешность трансплантации, минимизировать риск иммунного отторжения и улучшить результаты лечения.

Исследования и образование. Биопечатные ткани – ценный инструмент для научных исследований, медицинского обучения и образования. Исследователи и студенты могут изучать биологию человека, механизмы заболеваний и хирургические методы в контролируемой обстановке и с учетом этических требований.

2.3 Индивидуальные имплантаты и протезы

На стыке биопринтинга и стандартных аддитивных технологий находится создание высокоточных имплантатов и протезов, обеспечивающих персонализированные решения для людей с особыми медицинскими или

15

анатомическими потребностями. К ним относятся ортопедические, зубные,

челюстно-лицевые, черепно-лицевые, ушные, глазные, кохлеарные, спинальные,

грудные имплантаты, протезы и другие приспособления. Эти изделия могут повысить функциональность, комфорт и качество жизни пациентов в различных сценариях лечения.

Технологии 3D-печати в сочетании с передовыми методами визуализации,

такими как КТ и МРТ, дает медицинским работникам возможность изготавливать имплантаты и протезы с учетом уникальных анатомических особенностей каждого пациента. Результаты подобной персонализации – лучшая совместимость,

улучшение функциональности, повышение удовлетворенности пациентов и качества жизни тех, кто нуждается в этих медицинских изделиях (рисунок 6).

Рисунок 6 – Ортопедический имплантат, напечатанный из титана на SLM

принтере HBD. Титан обладает высокой биосовместимостью, а 3D-печать учитывает все индивидуальные особенности пациента

16

Так же 3D-принтеры стали большой частью стоматологии, позволяя выпускать долговечные и качественные модели коронок, мостов, виниров и др, что существенно облегчает и ускоряет работу зуботехническа: широкий ассортимент материалов позволяет в короткие сроки решить практически любую задачу. С

помощью стоматологического 3D-принтера можно моделировать значительное количество необходимых экземпляров за одну сессию. Все проекты сохраняются в файлах, поэтому в будущем можно повторно изготовить такую же модель при необходимости.

Больше не нужно отправлять пациента на 2-3 дня, чтобы дождаться изготовления гипсовых моделей. Теперь всё происходит значительно быстрее: врач за несколько минут строит 3D-модель с помощью интраорального сканера и моментально передаёт данные в лабораторию, где печать также не займёт много времени. Скорость и максимальная точность повышают уровень лечения и действительно экономят ресурсы и время.

Выделим самые распространённые направления использования 3D-печати в стоматологии. При помощи принтера можно создавать:

▪демонстрационные и разборные модели челюсти, секторальное воспроизведение верхней и нижней челюсти в прикусе;

▪беззольно выгораемые конструкции, колпачки, основы под коронки и мосты, бюгельные протезы;

▪хирургические шаблоны для имплантации, индивидуальные капы,

направляющие для челюстно-лицевой хирургии.

Активно развивается такое перспективное направление, как печать постоянных и временных ортопедических конструкций, базисов съёмных протезов.

Рассмотрим основные примеры использования 3D-печати в стоматологии и зуботехнике:

Элайнеры. Прозрачные элайнеры применяются для исправления неправильного прикуса. Процесс их изготовления с применением 3D-технологий состоит из нескольких этапов:

17

1.Сканирование слепка (гипсового или снятого через двухкомпонентный

силикон).

2.Загрузка файла со слепком в программное обеспечение для виртуального моделирования движения зубного ряда от исходного положения до идеального расположения зубов в конце лечения.

3.Печать смоделированного курса лечения на принтере.

4.Вакуумная формовка капп по напечатанным моделям.

Изготовление элайнеров на 3D-принтере имеет следующие преимущества:

1.высокая рентабельность производства;

2.сокращение сроков производства – начинать лечение можно уже на следующий день после снятия сканов;

3.экономия времени на корректировку – процедура занимает минимум времени и не мешает лечению (длительный перерыв может негативно отразиться на всем курсе лечения).

Прямое производство металлических имплантатов и протезов. 3D-печать металлами (SLM технология) получила широкое распространение в стоматологии,

открыв беспрецедентные возможности для изготовления сложных индивидуальных зубных протезов, имплантатов, ортодонтических аппаратов и хирургических шаблонов. Используя 3D принтер по металлу, дантисты могут преодолеть ограничения традиционных методов изготовления и добиться идеальной точности исполнения и комфорта для пациента.

Что можно напечатать из металлов:

1. Зубные имплантаты. Металлическая 3D печать позволяет изготавливать имплантаты индивидуальной конструкции, идеально соответствующие анатомическим особенностям пациента. Результат – улучшение остеоинтеграции, сокращение времени лечения и повышение удовлетворенности пациента.

2. Коронки и мостовидные протезы. Могут быть изготовлены с высокой точностью из биосовместимых металлических сплавов (кобальт-хром, титан Grade 1

18

или Ti6Al4), гарантирующих превосходную прочность, долговечность и

эстетические качества.

3.Индивидуальные ортодонтические брекеты и элайнеры. Изготовление этих приспособлений с помощью 3D печати металлом способствует более эффективному и аккуратному лечению.

4.Хирургические шаблоны, напечатанные из металлических сплавов,

обеспечивают точную установку, помогают сократить время операции и снизить

риск ошибок при проведении сложных операций.

19

3 Хирургический шовный материал

Хирургический шовный материал — нить, применяемая с целью соединения

тканей с образованием рубца или эпителизации.

3.1 Классификация шовных материалов

Хирургические нити можно классифицировать по следующим свойствам:

-по материалу;

-по структуре;

-по способности к биодеструкции;

-по толщине;

-по способу соединения с иглой.

По материалу

1. Натуральные. Это нити из натуральных природных материалов.

1.1. Органические. Созданы из тканей животного происхождения. К

органическим шовным материалам относятся:

-кетгут, получаемый из серозной ткани рогатого скота; часто вызывает воспаления;

-шелк, добываемых из кокона тутового шелкопряда; высокая вероятность воспаления, но меньше, чем в случае с кетгутом;

-конский волос;

-нити из фасций, сухожилий, артерий животных;

-нити из пуповины человека;

-производные целлюлозы - римин, кацелон, окцелон.

1.2. Неорганические. Созданы из неорганических природных материалов. К

неорганическим шовным материалам относится проволока:

20