У 16-месячного Гарретта Петерсона проблемы с дыханием возникали ежедневно.
Петерсон родился с размягченными бронхами и ослабленными хрящами в бронхиальных трубках и всю свою жизнь провел в больнице университета штата Юта. Для выживания ему постоянно был необходим вентилятор высокого давления.
Тем временем инженер-биомедик из университета Мичигана Скотт Холлистер разработал трехмерную печатную шину, которая со временем абсорбируется в тело, но на протяжении двух-трех лет способна удерживать в открытом состоянии дыхательные пути новорожденных. Как правило, этого времени достаточно для перестройки бронхиального хряща и обеспечения здорового дыхания.
Несмотря на риск родители Гарретта, Джейк и Натали, приняли решение лететь с ребенком в университет Мичигана на самолете, оборудованном средствами интенсивной терапии. После успешной операции их сын был отключен от вентилятора и направлен домой.
Биомедицинская шина – лишь один из примеров использования трехмерной печати вместе с тканями, полученными в лабораториях, и биоматериалами для создания имплантируемых устройств.
По словам доктора Моррисона, возглавляющего в университете Мичигана отделение отоларингологии и хирургии шеи, соответствующее направление получило название 4D-печати, поскольку имплантаты со временем приспосабливаются к изменениям тела и его росту.
С докладами о полученных результатах Моррисон и Холлистер выступили на конференции RAPID 3D Printing and Manufacturing Conference.
К настоящему времени хирурги и инженерный персонал университета Мичигана успешно вставили шины четырем детям, которые были выписаны домой уже через несколько недель после операции.
Сначала пациенту проводится компьютерная томография и создается виртуальная модель трахеи. Затем с помощью программного обеспечения Mimics, разработанного бельгийским производителем 3D-принтеров Materialise, моделируется образ имплантата.
После этого полученный образ загружается на 3D-принтер Formiga P100, использующего лазерное спекание для послойного связывания поликапролактона – биоматериала, повторяющего форму трахеи конкретного пациента.
С помощью криогенных технологий поверхность заготовки шины замораживается и размельчается с точностью до микронов до тех пор, пока не будет подогнана идеально.
Хотя процесс создания имплантата может показаться очень сложным, все необходимые операции выполняются в течение одного дня. Технология позволяет печатать до 200 имплантатов одновременно.
Шина должна быть совместима на биологическом уровне с иммунной системой пациента и сопротивляться внешнему сжатию со стороны окружающих тканей тела, обладая при этом достаточной гибкостью и эластичностью. Продолжительность ее использования составляет от двух до четырех лет.
В настоящее время шины соответствуют всем критериям успешной медицинской имплантации. Уже через шесть месяцев, как и планировалось, начинается их поглощение организмом. Абсорбируясь в окружающие ткани, биоматериал постепенно выводится из тела.
Холлистер, Моррисон и другие исследователи убеждены в том, что со временем применение 4D-биоматериалов выйдет за рамки помощи детям с респираторными заболеваниями. Уже сейчас изучается возможность коррекции скелета, реконструкции лица и восстановления формы ушей с использованием медицинских каркасов, удерживающих окружающие ткани на месте.
Для совершенствования методов 4D-печати и расширения ее использования необходимо укреплять связи с научными организациями и промышленными предприятиями. Это позволит разрабатывать новые материалы и методы создания имплантатов.
«Возможность печати различных гибких имплантатов для реконструкций подобного рода имеет очень важное значение», – подчеркнул Холлистер.
Исследователи полагают, что направление биомедицинской 4D-печати будет развиваться очень быстро по мере открытия новых сфер ее применения.
«Думаю, что в ближайшие пять лет мы увидим массу новых идей использования соответствующих технологий», – заявил Моррисон.
