Кости из титана: что печатают на 3D-принтере томские ученые

Технология 3D-печати благодаря своим уникальным возможностям напечатать практически все что угодно, уже захватила мир. Ученые научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» Томского политехнического университета (ТПУ) занимаются разработкой улучшенных материалов для костных имплантатов, создаваемых с помощью 3D-принтеров.

3D-печать — это инновационная технология создания трехмерных объектов. Классический 3D-принтер работает по принципу моделирования послойным наплавлением, когда трехмерное изображение будущего объекта с помощью программного обеспечения делят на слои, из которых он потом воссоздается. В результате 3D-печать отличает высокая скорость исполнения заказов, макеты для которых в том числе можно передавать и в онлайн-режиме, что также экономит время.

Сейчас на 3D-принтере благодаря объемной печати можно создавать практически любые предметы: строительные материалы, детали космического корабля, различные имплантаты и другие медицинские изделия. При этом печатать их можно из металла, пластика, уникальных биоматериалов и т.д.

Так, сотрудники научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ для замещения костных дефектов разрабатывают биоинспирированные (созданные с учетом принципов, действующих в живой природе) материалы для 3D-печати.

По словам Романа Сурменева, костная ткань человека представляет собой сложный композиционный материал с организованной на нескольких уровнях структурой, обладающий уникальными механическими характеристиками. В свою очередь, ученые работают с механическими метаматериалами, манипулируют их свойствами, например плотностью, чтобы добиться сходства с человеческой костью.

«Мы используем чистый титан, или сплав Ti-6Al-4V, который разрешен для использования в медицинских целях, при этом изменяем его архитектонику (построение. — Прим. ред.), которая имитирует структуру кости», — сообщил он. Так, добавление ионов ниобия значительно улучшает его механические и биологические характеристики. Совместно с российскими и зарубежными партнерами сотрудники центра уже выполнили клеточные, а также in vivo (на живых организмах) эксперименты, которые показали перспективность использования такого титанового сплава.

Как напечатать кость

Как рассказал Сурменев, каждый человек имеет свои физиологические особенности, поэтому для того, чтобы «напечатать» для него кость, необходимо выполнить компьютерную томографию того участка, который нужно заместить, и собрать анамнез. Делать это должен медицинский сотрудник.

«Именно врач-хирург или ортопед должен обратиться к нам и поставить задачу, зная наши возможности», — пояснил он.

Затем разработчики выполняют компьютерное моделирование будущего имплантата. «Создается математическая трехмерная модель конструкции, виртуальный инжиниринг позволяет оптимизировать конструкцию по необходимым критериям. Далее создается файл с расширением, пригодным для принтера, модель разбивается на слои и материализуется послойным наращиванием», — пояснил Сурменев.

После формирования изделия выполняется чистка от порошка, а специальные методы обработки позволяют добиться оптимальной поверхности изделия. «На последнем этапе необходимо убедиться, что все финансовые вливания и труд ученых не прошли впустую, а действительно мы держим в руках уникальное изделие, которое улучшит жизнь пациента», — подчеркнул ученый.

По принципу природы

«Термин «аддитивные технологии» (послойное наращивание и синтез объекта с использованием 3D-технологий. — Прим. ред.) появился от слова «additive» — «добавлять», — говорит Сурменев. — Это и отличает 3D-печать от традиционных технологий, где нужно вычитать, чтобы получить конструкцию со сложной геометрией».

В аддитивных технологиях, по его словам, реализован такой же подход, как в живой природе, а именно «сверху вниз» или «от большого к малому». Окружающий мир природа создавала подобным образом — путем послойного наращивания, отмечает ученый.

«Можно подбирать много эпитетов, но звезды действительно сошлись, эта технология наилучшим образом позволяется получать материалы с архитектоникой, близкой к структуре человеческой ткани», — уверен специалист.

При этом он подчеркивает, что если рассматривать электронно-лучевое плавление — метод, по которому работают в центре, — то эта технология в сравнении с другими наисложнейшая.

«Необходим порошок высокого качества, наличие вакуума при получении, традиционные постобработки не позволяют достичь необходимой поверхности. Отсюда вытекает главный минус: создать изделие с заранее требуемыми свойствами невероятно сложно», — пояснил Сурменев.

Тем не менее, если изделие получить, то оно имеет лишь достоинства, которые можно наращивать посредством модификации поверхности и нанесения покрытий, подчеркивает директор центра.

По его словам, перед учеными сегодня стоит еще много вызовов, связанных с 3D-печатью. Это, во-первых, формирование заранее определенных свойств изделий. Во-вторых, миниатюризация создаваемых объектов и их составных частей. В-третьих, увеличение скорости создания изделий, их производство из новых материалов, а также ориентация на все более полную гармонизацию с окружающей средой.

«Есть где развернуться, и это не может не радовать», — заключил Сурменев.

• #Новые материалы