3D-печать была разработана в 1980-х годах, она используется во многих областях производства. Одной из самых перспективных сфер ее применения считается медицина, говорит генеральный директор «Тоталзед» (отечественный производитель 3D-принтеров) Алексей Дубинин: «Технология позволяет максимально ускорить процесс подготовки и планирования операции, дает возможность при внеплановых ситуациях изготавливать детали прямо в процессе операции, что невозможно при использовании традиционных методов производства».
По оценке отчета 3D Printing Healthcare Market: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast 2019-2026 американской Allied Analytics, в 2018 году мировой рынок 3D-печати в медицине оценивался в $973 млн. Аналитики прогнозируют рост этого сегмента до $3,6 млрд в 2026 году при среднегодовых темпах роста 18,2%.
Зуб выдают
Наиболее массово объемная печать на сегодняшний момент используется в стоматологии, отмечает ректор Сибирского государственного медицинского университета, д.м.н., профессор Ольга Кобякова: «Благодаря 3D-сканированию врач получает возможность смоделировать индивидуальный имплант и оценить его физические свойства до установки, что позволяет оптимизировать процесс, избавиться от многочисленных примерок и подгонок, неприятных для клиента». Изготовление коронок, протезов и других изделий по традиционной технологии — очень трудоемкая процедура, которая занимает много времени. Конечный результат зачастую зависит от твердости руки техника и остроты его зрения. Современная трехмерная печать выводит стоматологический бизнес на производственные мощности и обеспечивает стабильную точность.
В то же время в отечественной медицине достаточно медленно продвигаются новые технологии из-за консервативности отрасли, считает специалист по 3D-оборудованию компании Top 3D Shop Антон Теплухин. Например, в развитых странах активно используются элайнеры — капы для выравнивания зубов, которые изготавливаются при помощи 3D-сканера и 3D-принтера. В России эта технология с трудом принимается ортодонтами, которые привыкли устанавливать традиционные брекеты, говорит Антон Теплухин: «На одном из форумов по применению элайнеров в Москве только два ортодонта из 60 захотели подробнее изучить технологию».
Кроме того, оборудование, необходимое для 3D-печати в медицине, достаточно дорогое: цена на средний принтер начинается от 90 тыс. руб., на сканер — от 190 тыс. руб. Спрос на такие аппараты формируют крупные частные стоматологические клиники и госучреждения, в обычных стоматологических поликлиниках 3D-принтер и сканер еще не скоро станут обыденностью, считает Антон Теплухин.
Суставная разминка
Трехмерная печать позволяет изготовить протез из очень большого ассортимента композитных, смешанных материалов, что делает технологию востребованной и в эндопротезировании, говорит руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков: «Исследования открывают новые возможности для огромного количества пациентов, помогают лечить распространенные заболевания суставов, которые мешают вести полноценную жизнь людям уже в среднем возрасте».
В частности, основной сложностью создания протеза для замены сустава является наращивание хрящевой ткани. Каждый слой хрящевой ткани поляризован, то есть имеет определенную направленность, противоположную друг к другу, поэтому воссоздать ткань искусственно пока довольно сложно. Однако 3D-печать открывает огромные возможности для развития этого направления.
Сейчас при операциях по протезированию суставов используют металлоконструкции на основе титана, но в целом это компромиссное решение, отмечает эксперт. Будущее, по словам Павла Волчкова, за 3D-химерными суставами: «В данной разработке планируется использовать, наряду с синтетической составляющей, естественный биоматериал, например натуральную хрящевую ткань, полученную у пациента из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток».
Биопринтинг
3D-биопринтинг, или трехмерная печать собственно клетками, — следующая ступень эволюции технологии. Трехмерная печать эквивалентов отдельных органов и тканей тоже апробируется в экспериментальном порядке. В частности, в научной литературе описаны попытки конструирования прототипов поджелудочной железы с эндокринной функцией как этап формирования инсулинопродуцирующего органа, эксперименты по биопечати эквивалентов печени, легких, линий эпителиальных и эндотелиальных клеток и даже нервной ткани.
Перспективным подходом в трехмерной биопечати является, в частности, создание объекта тканевыми сфероидами (группы клеток, которые образуют трехмерную структуру). По результатам некоторых исследований, этот способ имеет ряд значимых преимуществ перед печатью клеточной суспензией, отмечают авторы обзора «Введение в 3D-биопринтинг: история формирования направления, принципы и этапы биопечати» (подготовлен «Биопринтинг солюшенc», МНИОИ имени П.А. Герцена — филиал ФГБУ НМИЦ радиологии Минздрава РФ и РНИМУ имени Н.И. Пирогова): «Способность сфероидов к слиянию в органоподобные структуры с формированием тканевой архитектоники, а также возможность автоматизированного получения сфероидов разного диаметра, в том числе содержащих в себе различные типы клеток, доказывают перспективность этого направления клеточно-тканевой инженерии».
Кроме того, по данным исследователей, клетки в сфероидах более устойчивы к стрессу, радиации и другим факторам искусственной внешней среды.
Примечательно, что отечественные ученые одними из первых напечатали щитовидную железу лабораторной мыши, рассказал Павел Волчков: «В ходе эксперимента клетки щитовидной железы мыши выделяли в виде суспензионной культуры, а затем формировали сфероиды и из них уже печатали». То есть для того, чтобы трансплантировать готовую щитовидную железу, ее сначала разобрали на части, а потом из частей напечатали орган.
В основном технология применяется для печати в экспериментальных условиях паренхиматозных тканей (эпителия внутренних органов), отмечает Павел Волчков. Создание более сложных органов, по его словам, все еще серьезный вызов для 3D-печати, так как они состоят из сложного сочетания различных типов клеток, в том числе послойного. Кроме того, органы васкуляризированы, то есть в них прорастают сосуды.
Подобные разработки требуют больших инвестиций при весьма отделенных перспективах применения, что сдерживает энтузиазм венчурных компаний. Но будущее именно за живыми клетками как основного «строительного» материала для 3D-биопринтига, считает Павел Волчков. Поэтому капитализация в отрасли 3D-печати в медицине пока идет только за счет продажи принтеров научным компаниям и лабораториям.
Ближайшее будущее
Даже на иностранных рынках в данную разработку пока вкладываются в основном небольшие частные компании. Долгосрочность инвестиций отпугивает крупные хедж-фонды, аффилированные с большими банковскими системами.
Павел Волчков полагает, что революционные результаты будут не раньше, чем через пять—десять лет: «Мы могли бы сказать, что отрасль сформирована, если бы существовал хотя бы один прецедентный проект успешного клинического применения, но пока его нет».
Ольга Кобякова полагает, что будущее может наступить уже в течение обозначенного периода: «Сейчас производство имплантов и сопровождение операций уже внедряется повсеместно. Следующий шаг — более продвинутые импланты и клеточные технологии». По ее словам, проблема в нехватке профильных ученых — дипломов «специалиста в области 3D-моделирования, печати и использования аддитивных технологий» пока не существует. Сейчас этими технологиями, по ее словам, занимаются энтузиасты: врачи, которые приобрели инженерные знания, либо инженеры, которые выполняют заказы врачей.
Необходимо, по мнению Ольги Кобяковой, упрощать процедуру сертификации медицинских изделий: «Сегодня не просто, например, определить класс, к которому относится разработка в области 3D-технологии».
Принятый три года назад закон о биомедицинских клеточных продуктах создал правовое поле для дальнейших разработок в этой области, говорит Павел Волчков. Но он подчеркивает, что для развития в том числе и регуляторной среды в области применения биопринтига и других технологий трехмерной печати в медицине нужен прорывной клинический проект.