Cегодня ученые «Росатома» печатают на 3D-принтере индивидуальные титановые импланты для челюстно-¬лицевой хирургии. Завтра собираются серийно выпускать импланты с биосовместимым покрытием для травматологии и ортопедии. А послезавтра — выращивать в биопринтере органы из живых клеток.
Лаборатория аддитивных технологий и биоинжиниринга в научно-производственном центре медицинских изделий Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) открылась всего год назад. За это время там освоили полный цикл производства индивидуальных титановых имплантов.
Импланты, сделанные в Троицке, уже установили пяти пациентам. Первому — осенью 2023 года. Все прооперированные чувствуют себя хорошо. «Если бы что-то прошло не так, я бы тут с вами не беседовал», — мрачновато шутит Егор Кормазов, технолог аддитивного производства.
Два 3D-принтера для лаборатории произвел другой отраслевой институт — ЦНИИТМАШ. Печатают из чистого, нелегированного, титана и из титанового сплава.
«Чистый титан используется в челюстно-¬лицевой хирургии — так безопасней, исключается влияние легирующих элементов на мозг пациента, — объясняет Егор Кормазов. — У сплавов же механические свой¬ства лучше, поэтому они больше подходят для имплантов нагруженных костей опорно-¬двигательного аппарата, спинальных кейджей».
Индивидуальный имплант в Троицке делают в среднем за семь дней. Два-три дня уходит на моделирование и проектирование.
«Медики присылают заявку, данные пациента и результаты компьютерной томографии. На ее основе мы с помощью программного обеспечения разработки «Росатома» строим 3D-модель импланта, — рассказывает Егор Кормазов. — Модель согласовываем с оперирующим врачом, и я адаптирую ее для 3D-принтера».
Примерно сутки длится печать, еще сутки — термообработка. Два-три дня закладывают на постобработку, контроль качества, стерилизацию и упаковку.
«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», — говорит Егор Кормазов.
Пока в Троицке печатают только единичные индивидуальные импланты — такие медизделия не подлежат сертификации. Для серийного производства нужно разработать промышленную технологию и провести клинические исследования образцов. К 2030 году ученые хотят выйти на оптовый рынок титановых имплантов с биосовместимым покрытием.
«Титан обычно хорошо приживается в организме человека. Но бывает отторжение, образуются фиброзные капсулы, протез расшатывается, — говорит Анна Угодчикова, научный сотрудник лаборатории аддитивных технологий и биоинжиниринга. — Мы предлагаем наносить на титановый имплант двуслойное покрытие. Поверхностный биорастворимый слой дает толчок процессам минерализации и остеоинтеграции, то есть срастания импланта с костью. После растворения первого слоя остается второй, он поддерживает дальнейший рост костной ткани».
Идея покрывать титановые протезы биосовместимым материалом не нова. Обычно используют кальций-фосфатную керамику.
«Но она не биоразлагаемая, поэтому остеоинтеграция идет медленно, — продолжает Анна Угодчикова. — Наше покрытие, помимо кальция и фосфора, содержит кремний, магний, которые способствуют более быстрому формированию костной ткани».
В лаборатории разрабатывают технологии нанесения покрытий. Образцы изделий передают в Первый Московский государственный медицинский университет им. Сеченова, Московский научно¬исследовательский онкологический институт им. Герцена и Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Гамалеи. Медики исследуют биоактивные свой¬ства протезов и проверяют их на цитотоксические эффекты.
Перспективы биофабрикации
В будущем троицкие ученые хотят создавать органы и ткани из живых клеток. Для этого разрабатывают функциональные образцы биопринтера и биореактора. Макеты готовы, выращен кровеносный сосуд длиной 2 см.
«Все очень просто: клетки пациента культивируются до сфероидов — групп клеток размером до 200 мк. С ними проще работать, — рассказывает Егор Кормазов. — Сфероиды помещаются в биопринтер. В специальной среде под воздействием магнитных и акустических полей они собираются в определенной последовательности в соответствии с 3D-моделью. «Слипшиеся» сфероиды мы помещаем в биореактор, клетки там продолжают делиться, сфероиды дозревают и через несколько дней превращаются в полноценный функционирующий орган».
Ученые утверждают, что по их технологии можно будет напечатать практически любой внутренний орган из клеток пациента: щитовидную железу, печень, даже сердце. Кроме, пожалуй, мозга — слишком сложная это структура.
Этапы изготовления костного импланта
Входной контроль титанового порошка — сферических гранул размером от 15 до 45 мк. Проверка основных показателей, влияющих на качество печати: текучести, насыпной плотности, гранулометрического состава, сферичности.
Загрузка порошка в приемочный бокс 3D-принтера, подготовка камеры построения, настройка лазерно-¬оптической системы и параметров печати.
Герметизация камеры, замещение воздуха аргоном
Печать. В зависимости от сложности изделия процесс занимает от 12 часов до суток.
Термообработка. Чтобы снять остаточное напряжение, импланты на толстой титановой платформе (на ней они и печатались) отправляются в высокотемпературную вакуумную печь.
Слесарная ручная обработка, промывка и просушка имплантов.
Контроль качества, стерилизация и упаковка.
Егор Кормазов
«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»