Современные информационные технологии/1.Компьютерная инженерия.
Романюк С. О. , Чорний В. М.
Вінницький національний технічний університет
Використання 3D принтерів у
медичній практиці
3D-принтер [1] – це пристрій, який створює реальний об'ємний предмет на основі 3D-моделі.
3D-друк може здійснюватися різними способами і з використанням різних
матеріалів, але в основі будь-якого з них лежить принцип пошарового створення
(вирощування) твердого об'єкта.
Основні технології 3D-друку [2, 3]: екструзійний друк [2]; плавка спікання або
склеювання; стереолітографія [3]; ламінування; друк методом пошарового
плавлення.
В основі екструзійний
друку лежить видавлювання витратного матеріалу з послідовним формуванням
готового виробу. Витратні матеріали складаються з термопластиків, або
композитних матеріалів на їх основі.
Плавке спікання або
склеювання ґрунтується на поєднанні порошкового матеріалу в єдине ціле. Подібні
принтери наносять на робочу платформу тонкі шари порошку, які потім вибірково
склеюються матеріалом. Порошок складається з будь-якого матеріалу, який можна
подрібнити до стану пудри – пластика, деревини, металу.
Стереолітографічні
принтери використовують полімерні смоли. Смола заливається в спеціальний
контейнер з рухомою платформою, яка встановлюється в позиції біля поверхні
рідини. Шар смоли, що покриває платформу, відповідає одному шару цифрової
моделі. Потім тонкий шар смоли обробляється лазерним променем, твердіючи в
точках дотику. Після закінчення засвічення платформа разом з готовим шаром
занурюються на товщину наступного шару, і засвічення проводиться знову.
В процесі
ламінування 3D-принтери використовують листові матеріали – папір, фольгу,
пластикову плівку. Шари матеріалу наклеюються один на одного і обрізаються по
контурах цифрової моделі.
Друк методом
пошарового плавлення створює тривимірні об'єктів за рахунок нанесення
послідовних шарів матеріалу, які повторюють контури цифрової моделі. В якості
матеріалів для друку виступають термопластики, що поставляються у вигляді
котушок ниток або прутків.
Принцип роботи
принтера по пластику [4] такий. Друкуюча головка сильно нагрівається та плавить пластик, який
подається у вигляді литої трубки. Далі розплавлений матеріал подається з
нижньої частини голівки і поміщається в потрібних місцях.
Принцип роботи
3D-принтера по металу такий. Друкуюча головка наносить спеціальну речовину
(клей) в місцях, зазначених комп'ютером. Після цього вал наносить найтонший шар
металевої пудри на всю робочу площу. У місцях, де завдано «клей» металева пудра
склеюється і твердне. Далі друкуюча головка знову завдає «клей», після чого вал
насипає ще один найтонший шар металевого порошку і так далі.
Принцип роботи
принтера за допомогою стероїдів [5] здійснюється за принципом екструзії, коли
в'язка консистенція продавлюється через формуючий отвір. При цьому в момент
екструзії гідрогель повинен бути рідким. Після того, як всі тонкощі дотримані,
принтер друкує один шар органу, потім інший, і так поступово пошарово виходить
цілий органний конструкт.
На рисунку 1
зображено процес друку процес друку 3D-принтера.
Порошкоподібний матеріал поширюється тонким шаром по платформі за допомогою
ролика. Після цього по форсунках надходить сполучний елемент і відбувається
затвердіння. Поршень платформи знижується з кожним новим шаром і в результаті
формується кольорова 3D-модель.
.
Рис.
1 – Процес 3D-друку
Підставою для
кожного нового шару виступає невикористаний матеріал, він залишається всередині
ємності з моделлю до кінця процесу. Така технологія дозволяє створювати об'єкти
зі складною геометрією. Після завершення циклу друку залишковий порошок легко
видаляється з виробу пензлем або стисненим повітрям.
Основні матеріали [6]
для 3D-принтерів: ABS пластик.
Використовується для виготовлення функціональних деталей, сувенірів, посуду,
дитячих іграшок; PLA пластик (використовується для виробництва виробів з
коротким терміном служби: харчова упаковка, одноразовий посуд, пакети, різна
тара) ; LAYWOOD композитний матеріал, на 40% складається з натурального дерева
і безпечного сполучного полімеру; PET. (Використовується для створення
унікальних моделей прозорих, як скло); Laybrick (Використовується для друку
кам'яних поверхонь); людські клітини або полісахариди агарози (Використовуються
в біомедицині для друку живими клітинами).
Призначення [7] 3D-принтерів: швидке виготовлення прототипів моделей і
об'єктів; виготовлення моделей і форм для ливарного виробництва; при
протезуванні та виробництві імплантатів; друку донорських органів; виробництва медикаментів; для
будівництва будівель і споруд; виробництво корпусів експериментальної техніки; харчове
виробництво.
За 2015 рік світові
поставки 3D-принтерів зросли на 35% [8]. При цьому більша частина угод (95%
від 173 962 поставлених пристроїв) припала на недорогі персональні 3D-принтери,
середня ціна яких склала менше 5000 доларів. Світовий лідер в сфері
персональних 3D-принтерів - тайванська компанія XYZPrinting (частка
17%). 3D-принтерами компанії
MakerBot розпорядженні понад 5000 шкіл в США. Згідно з прогнозами виручка від
продажу 3D-принтерів складе 1,5 мільярда доларів до 2019 року.
У медицині
3D-принтери почали використовувати в основному в ортопедії. За допомогою
МРТ-знімків із пластику друкували точні копії переломів, а пізніше моделі
органів.
За допомогою
3D-принтерів вже друкують протези[ 9], з урахуванням індивідуальних
особливостей людини. Для підвищення міцності, в протезах залишають спеціальні
мікропорожнини для міграції власних клітин кісткової тканини пацієнта.
Для відновлення
пошкоджених міжхребетних дисків за допомогою 3D-принтера використовується
спеціальний матеріал з високим вмістом стовбурових клітин. З цим матеріалом
працює 3D принтер. Як тільки стовбурові клітини починають контактувати з
«рідними» клітинами міжхребцевого диска, вони трансформуються у відповідні
тканини, відновлюючи, пошкоджені місця.
Вухо надруковане на
3D-принтері, містить чутливу до радіохвиль антену і живі клітини. Основним
завданням цього вуха стало відпрацювання технології суміщення електричних і
біологічних компонентів в єдиній живій тканині. Потенційно такі пристрої можна
використовувати не тільки для «розширення слухового діапазону в область
радіочастот», а й, наприклад, для дистанційного контролю за станом протезів.
Процес 3D-друку
кровоносних судин [10] використовує полісахарид агарози для друку форми для відливання судин
необхідної міцності. Форма покривається в'язкою речовиною «гідрогелем» і
посилюється за допомогою спеціальної обробки світлом. Отриманий агарозний
каркас досить гладкий і міцний,. При цьому виключається можливість попадання в
судини частинок каркаса. Причому, використовувати їх можна практично у всіх
сферах медицини, в тому числі і в стоматології при лікуванні ясен.
Використовуючи 3D-принтер можна створювати внутрішні органи. Принтер створює пластикову
модель органу, яка покривається людськими клітинами, або принтер випускає
клітини в спеціальний гель на основі колагену, які скріплює все воєдино.
Протягом декількох тижнів клітини виростають в пластикових чи колагенових
формах перш, ніж отримати з них функціональний орган. Після впровадження в
тіло, форми руйнуються, залишаючи після себе лише людську тканину.
Співробітники
американської компанії Organovo навчилися створювати невеликі штучні фрагменти
печінки, використовуючи 3D-принтер. Тканина створюється на 3D принтері
аналогічно звичайному друку, однак замість різних фарб використовуються різні
типи клітин. Для створення прототипу штучної печінки фахівці компанії
використовували три типи клітин: гепатоцити, зірчасті клітини і клітини
епітелію, що вистилає кровоносні судини. Отримані штучні тканини зараз
застосовуються для випробувань і тестування ліків.
3D-технології грають
велику роль в вирощуванні органів і розробці інноваційних матеріалів, перш за
все біоматеріалів, підготовлених і використовуваних для друку тривимірних
об'єктів.
Біопрінтінг[11] практично не відрізняється від технології 3D-друку, за винятком того, що
тут використовуються живі клітини. Роль біочорнил виконують конгломерати клітин,
біопапером є спеціальний гідрогель. Вихідною моделлю для друку є тривимірна
модель, наприклад, створена в 3D Max.
У силіконовий штамп,
в який заливається агароза 12], застигає та отримується негатив, в
якому знаходиться заглиблення, Туди заливається клітинна суспензія – розчин
клітин. Під дією сили тяжіння вони осідають на дно осередків і починають
взаємодіяти один з одним, утворюючи в результаті одну кульку. В одній кульці в
результаті утворюється тканинні сфероїди.
Інший метод передбачає, що клітинну суспензію [13] наливають в
спеціальні плашки, вона також осідає, утворюючи в кожному осередку по одному
тканинному сфероїду. Так виходять тканинні сфероїди. Після того, як вони
дозріють, їх можна завантажувати в біопринтер і використовувати як чорнила.
Тканини, ліки (а в
перспективі – і цілі органи), що виготовляються шляхом 3D-біопрінтінга, в
майбутньому зможуть виступати в якості замінників «природних» людських органів,
в деяких випадках володіючи властивостями, що перевершують природні органи.
Згідно з прогнозами обсяг
ринку 3D-біодруку досягне 1,82 мільярда доларів до 2022 року, а обсяг ринку
матеріалів для 3D-друку – 8,3 мільярда доларів 2025 році.
Література
1.
Кириченко А. Е., Вовк О.Ю. Применение современных технологий 3D
печати в медицине [Електронный
ресурс] / А.Е. Кириченко, О.Ю. Вовк – Режим доступу: http://repo.knmu.edu.ua/bitstream/123456789/10032/1/14156.pdf
2.
Слюсар В. І. Фаббер-технологии. Новое
средство трехмерного моделирования. [Електронный ресурс] / В.І. Слюсар – Режим доступу: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/1/article_1269_632.pdf
3.
Слюсар В. І. Фабрика в каждый дом. [Електронный ресурс] / В.І. Слюсар – Режим доступу: http://www.slyusar.kiev.ua/Yarmarka.pdf
4.
Как работает 3D принтер: принцип работы трехмерной печати [Електронный ресурс] – Режим
доступу:
http://www.techno-guide.ru/informatsionnye-tekhnologii/3d-tekhnologii/kak-rabotaet-3d-printer-printsip-raboty-trekhmernoj-pechati.html
5.
Шевалье Е. Что такое 3D-принтер и что можно на нём
напечатать? [Електронный ресурс] / Екатерина Шевалье – Режим доступу: http://www.aif.ru/dontknows/file/1379601
6.
Расходные материалы для 3D-принтеров [Електронный ресурс] – Режим доступу: http://3dtoday.ru/wiki/FDM_materials/
7.
TEDxOjai - Behrokh
Khoshnevis – Contour Crafting: Automated Construction [Електронный ресурс] – Режим доступу: http://tedxtalks.ted.com/video/TEDxOjai-Behrokh-Khoshnevis-Con/
8.
Мировой рынок 3D-принтеров вырос на 35% в 2015 году. [Електронный ресурс] – Режим
доступу: http://3dpulse.ru/analitika/mirovoi-rynok-3d-printerov-vyros-na-35-v-2015-godu
9.
3d принтеры в медицине,
их настоящее и будущее [Електронный ресурс] – Режим
доступу:
http://medicena.ru/blogpost/3d-printeryi-v-meditsine-ih-nastoyashhee-i-budushhee/
10. Медицина получила первые
сосуды, напечатанные на 3D-принтере [Електронный ресурс] – Режим доступу: http://supreme2.ru/5148-3d-sosudy/
11.
Murphy S. V., Skardal A., Atala A. Creating Valve Tissue
Using 3-D Bioprinting [Електронный
ресурс] / S. V.
Murphy, A. Skardal, A. Atala – 2013. Режим доступу:
https://www.asme.org/engineering-topics/articles/bioengineering/creating-valve-tissue-using-3d-bioprinting
12.
Thomas D., Engineering Ourselves – The Future Potential Power of
3D-Bioprinting? [Електронный ресурс] / D. Thomas, March 25, 2014 – Режим
доступу:
http://www.engineering.com/3DPrinting/3DPrintingArticles/ArticleID/7379/EngineeringOurselves-The-Future-Potential-Power-of-3D-Bioprinting.aspx
13. 3D-Биопринтинг: Собрать внутренние органы из клеток, как пазлы [Електронный
ресурс] – Режим доступу: http://rosnauka.ru/publication/730