Применение 3D-технологий в биопринтинге миокарда сердца



В статье рассмотрен вопрос необходимости применения 3D-технологий в кардиохирургии. Показаны преимущества использования 3D-моделей в биопринтинге миокарда сердца. Определены страны-лидеры в использовании 3D-технологий и рассмотрены их достижения в кардиохирургии. Предложен метод, с помощью которого будут получены составные элементы для печати миокарда сердца, а также материалы, с помощью которых будет произведена эта печать.

Ключевые слова: 3D-печать, лист Мёбиуса, миокард, сфероид, умные материалы

Рассмотрим обоснование необходимости применения 3D-печати в кардиохирургии. Известно, что практическое применение технологии объемной 3D-печати позволяют врачам оперативно получать недорогие модели для планирования операций, так, например, данные магнитно-резонансной томографии могут быть преобразованы в точную модель органа пациента [1]. Кроме того, применение биосовместимых материалов позволяет на текущем этапе развития технологий выполнять объемное прототипирование необходимых, с учетом индивидуальных особенностей, человеку органов, что применяется в протезировании межпозвоночных дисков, фрагментов печени и пр. Так же можно отметить, что 3D-модели позволяют анализировать различные сложные ситуации, например, при предоперационном планировании операции на сердце [2].

Такое, достаточно широкое распространение технологий прототипирования биообъектов связано с рядом преимуществ, которые могут быть получены при использовании 3D моделей:

1) возможность смоделировать орган до начала операции;

2) сократить операционное время;

3) уменьшить усталость операционной команды;

4) ускорить выздоровление пациента;

5) уменьшить процедуры «переделки»;

6) возможность многократного повторения процедур.

3D-модели также могут оказаться полезны для общения врачей, особенно из разных отраслей медицины; позволяют легко передавать пациенту сложные медицинские объяснения, увеличивают вероятность благоприятного исхода; облегчают обучение студентов; полноцветные 3D — модели позволяют лучше понимать данные из других областей анатомии [3–4]. В таблице 1 представлены лидирующие на данный момент страны в вопросе 3D-печати и их достижения.

Таблица 1

Страна	Достижения (год достижения) [1]
Австралия	Операция по восстановлению шейных позвонков больному с диагнозом «хордома двух шейных позвонков» (2013)
Великобри-тания	Моделирование частей черепа по результатам компьютерной томографии и построенной 3D- модели (2015)
Германия	Печать костных хрящей, имплант для носа, ушей, коленных чашечек (2014)
Китай	Технология 3D- биопечати с имплантацией (2013)
Россия	Печать щитовидной железы (2015)
США	Печать человеческих костей, частей рук и ног (2014)

В Австралии была проведена сложнейшая операция по восстановлению шейных позвонков онкологическому больному с диагнозом «хордома двух шейных позвонков» [1]. Опухоль возможно удалить путём хирургического вмешательства, после чего требуется восстановление позвонков. Заимствование кости для формирования импланта из другой части тела было невозможно, а модель, созданная 3D-биопринтере способствовала созданию высокоточного импланта из сплава титана.

В Великобритании смогли помочь пациенту, который получил серьёзнейшие травмы в мотоциклетной аварии. Кости, формирующие лицо и кожа на нём, практически не поддавались восстановлению. Для того, чтобы помочь, медики смоделировали необходимые части черепа по результатам компьютерной томографии и построенной 3D-модели, после чего выполнили их из титана. Благодаря точности 3D-печати лицо пациента по его собственным словам очень похоже на лицо до аварии [2].

Учеными из Германии была разработана печать костных хрящей для людей, которые получили травмы. Возможно сделать имплант для носа, ушей или коленных чашечек. По словам профессора Matti Kesti (Финляндия), данная технология поможет многим людям, и значительно снизит потребность в использовании доноров [4]. Испытания на животных начнутся в ближайшее время. Можно ожидать, что 3D-технология поможет многим людям, получившим тяжелые травмы.

Китайскиеученые совместили технологию 3D-биопечати с имплантацией. Ими недавно была напечатана ортопедическая кость для кролика. Ученые утверждают, что дефекты костей, вызванные тяжелыми травмами и опухолями доставляют ортопедам немалые проблемы. В настоящее время не существует безопасного и эффективного решения этой проблемы [4]. 3D-печать должна существенно помочь в этом вопросе.

В ходе испытаний этого метода на животных, использование 3D печати было успешным [1]. Это позволяет ожидать, что в скором времени станет возможным создание подобных имплантов для людей с такими дефектами.

Ученые Первого МГМУ им. И. М. Сеченова (Россия) анонсировали проект, который включает в себя печать щитовидной железы и протестирован ее на живом организме — мыши [4]. Элементы для печати были получены с помощью метода последовательной обработки клеток из ткани пациента. Была создана трехмерная модель органа, конвертирована в специальный файл и передана на 3D-принтер, печатающий клетками.

В лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions, резиденте биомедицинского кластера Фонда «Сколково» напечатан органный конструкт щитовидной железы мыши. Если напечатанная железа приживется у мыши, это станет научным прорывом в 3D-печати органов [1].

Биоинженеры из США смогли напечатать и даже испытать некоторые человеческие кости, части рук, ног, хрящей и уши. Материал для печати -В качестве материала для подобной печати учёными были выбраны стволовые клетки, основой послужили специальные шаблоны [1].

Было установлено, что такие достижения пока даются совсем нелегко. Принтеры есть далеко не везде, модели для печати разрабатываются большой командой высококлассных профессионалов в течение длительного времени и стоимость таких операций весьма высока. Но про всё это можно сказать «пока», потому что все врачи, биоинженеры и инженеры-конструкторы, которым довелось работать с этой технологией, утверждают, что за ней будущее медицины.

Одной из особенностей в строении сердца человека является разворачивание миокарда в виде листа Мёбиуса [5]. По результатам современных исследований было установлено, что характеристики гемодинамики, физико-механики и электрофизики сердечно-сосудистой системы, близкие к результатам физиологических экспериментов и клинических наблюдений, достигаются в приближении, что миокард сердца имеет топологию Мёбиуса [6]. Это делает актуальным решение задачи по «визуализации» внутренней структуры миокарда сердца [7, 8].

Лист Мёбиуса — это топологический объект, простейшая односторонняя поверхность с краем [9]. Можно попасть из любой точки этой поверхности в любую другую, не пересекая края. Первыми обнаружили Лист Мёбиуса немецкие математики Август Фердинанд Мёбиус и Иоганн Бенедикт Листинг почти 160 лет назад. Чтобы сделать модель листа Мёбиуса, надо взять бумажную полоску и соединить её концы, предварительно перевернув один из них на 180 градусов. Существуют два типа этих полос — левые и правые, в зависимости от вида закручивания. Лист Мёбиуса иногда называют прародителем символа бесконечности потому, что, находясь на поверхности этого листа, по нему можно было бы идти вечно. Это не так. На самом же деле, символ использовался для обозначения бесконечности еще за двести лет до того, как открыли лист Мёбиуса. Лист обладает любопытными свойствами:

1. Если разделить лист на две части, разрезав его посередине по линии, параллельной краю, то вместо двух листов получится один длинный лист с двумя полуоборотами (не лист Мёбиуса);
2. Если этот лист разрезать посередине — получатся два листа, намотанные друг на друга;
3. Если лист Мёбиуса разрезать, отступая от края приблизительно треть его ширины — получатся два листа. Более тонкий — лист Мёбиуса, другой, длинный лист с двумя полуоборотами — не лист Мёбиуса.

Прочие любопытные комбинации листов могут быть получены с двумя или более полуоборотами. Например, если разрезать лист с тремя полуоборотами, то получится лист, завитый в узел трилистника. Разрез листа Мёбиуса с дополнительными оборотами даёт неожиданные фигуры, которые назвали парадромными кольцами [9].

Рассмотрим унифицирование входной информации для 3D-принтера. Печать органов — роботизированное послойное построение трехмерных жизнеспособных биоартифициальных тканей и органов с использованием тканевых (клеточных) сфероидов, как составных элементов. Получение тканеподобных сфероидов позволяет использовать известные клеточные совокупности, стандартизировать состав и предсказуемые свойства. Таким образом, становится возможным собирать небольшие участки внутриорганной сосудистой сети, для чего используются цельные и просветные тканевые сфероиды [10]. Для создания таких сфероидов, файл в двоичном коде перекодируется в виде геометрических фигур. Визуальное изображение, полученное таким образом, выглядит как скручивание спиралей (напоминающее спирали ДНК). Далее с помощью этого метода, эти спирали делятся на две части и каждая содержит информацию. Из полученных частей формируется новый информационный поток, эта процедура может быть повторена. Этот метод позволяет представить информационные потоки в виде геометрических фигур, кодирование которых в некоторых случаях к значительному сжатию представленной информации.

Алгебра геометрических фигур позволяет проводить анализ информационных потоков, формировать визуальные аналоги для файлов различных форматов (TXT, DOC, MPEG, BMP, MP3, JPG и т. д.), чтобы записать свою новую кодировку с помощью математических операций, сравнить их визуальные аналоги, определить степень сжатия текста. Новый формат представления информационных потоков, полученных с помощью алгебры геометрических фигур, могут быть разработаны позже и прикладной математики, компьютерных технологий, обработки, кодирования, сжатия и передачи информационных потоков. В медицине этот метод способен определить места неоднозначности (болезни) при репликации материнской структуры. В области информационных технологий метод позволяет сжимать информационные потоки на 30 % лучше, чем хорошо известные утилиты сжатия данных (WinZip, RAR и т. д.) и представляют собой текст и музыкальные файлы в виде картинок (и наоборот), и, более того, можно определить с помощью этого метода информативности и ощутить значение (аналог коэффициента IQ) из бумаги и текста. Этот метод способен определить языковые характеристики сообщения (языковая группа, происхождение языка и т. д.). Одним из перспективных направлений применения метода в теории чисел является его способность выполнять математические операции не с числами, а с их образами. [10]

Таким образом, входная информация для 3D-принтера, полученная с помощью такого метода выглядим следующим образом (рис.1)

Рис. 1. Молекула ДНК: А — аденин, Г — гуанин, Т — тимин, Ц — цитозин

«Умные материалы» для 3D-печати. Относительно недавно возникла и начала стремительно развиваться новая область материаловедения, изучающая материалы, свойства которых могут меняться в зависимости от внешних факторов. Это новое поколение материалов называется «умные» или «интеллектуальные» материалы (англ. — «smart materials»). [11] Отличительные черты «умных» материалов — их дополнительные функциональные возможности, выходящие за пределы свойств, определяющихся структурой материала. Такие материалы выполняют двойную или даже тройную функцию — материала с требуемыми характеристиками, датчика на внешнее воздействие и, в некоторых случаях, устройства, которое «запрограммированно» на определенное поведение. Это достигается только благодаря структуре и составу этих революционных материалов. Эта перспективная область развития почти любого производства, которая вскоре окажет существенное влияние на нашу жизнь.

Применение 3D-технологий в медицине, в том числе, в кардиохирургии может значительно упростить выполнение профессиональных обязанностей медицинским работникам. Значительных достижений в сфере трёхмерной печати добились Австралия, Великобритания, Германия, Китай, США, Россия. Составные элементы для печати миокарда будут унифицированы с помощью перекодировки информации, представленной в двоичной системе счисления в молекулы ДНК. В перспективе 3D-печать может быть произведена с помощью «умных материалов».

Литература:

1. Иванов С. В., Варенцов В. А. Использование 3D принтера в медицине // Науч. форум: Медицина, биология и химия: сб. ст. по материалам II междун. науч.-практ. конф. — № 2(2). — М., Изд. «МЦНО», 2016. — С. 50–53.
2. Использование 3D-печати в медицине // SurgeryZone. URL: http://surgeryzone.net/medicina-dlya-professionalov/ispolzovanie-3d-pechati-v-medicine.html (дата обращения: 25.06.2017).
3. Профессии будущего: 3D-печать в медицине // Geektimes. URL: https://geektimes.ru/post/237699/ (дата обращения: 25.06.2017).
4. Презентация на тему: Использование 3D-технологий в медицине // MyShared. URL: http://www.myshared.ru/slide/65989/ (дата обращения: 25.06.2017).
5. Buckberg G. D. Basic science review: The helix and the heart // The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2002. Vol. 124. № 5. P. 75–85.
6. Самойлов А. С., Арутюнов Ю. А. Математическое моделирование сердечно-сосудистой системы для исследования гемодинамики, физико-механики и электрофизики миокарда новой топологии // Биомедицина. — 2014. — № Т. 1. № 3. — С. 104.
7. Арутюнов Ю. А., Возовиков И. Н., Чащин Е. А., Шеманаева Л. И. Влияние топологии мебиуса на распространение в магнитопроводе магнитного поля // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 5.; URL: https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=22137
8. Арутюнов Ю. А., Возовиков И. Н., Митрофанов А. А., Чащин Е. А., Шеманаева Л. И., Живаев С. Н. Влияние топологии листа мебиуса на магнитные характеристики поля вне магнитопровода // Современные наукоемкие технологии. — 2016. — № 7–1. — С. 9–14; URL: https://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36053
9. Свойства односторонней поверхности // Hintfox.com. URL: http://www.hintfox.com/article/svojstva-odnostoronnej-poverhnosti.html (дата обращения: 25.06.2017).
10. Тканевые сфероиды как строительные блоки // Тканевые сфероиды как строительные блоки // CyberLeninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/pechatanie-organov-tkanevye-sferoidy-kak-stroitelnye-bloki (дата обращения: 25.06.2017).
11. Кокцинская Е. М. «Умные» материалы и их применение (обзор) // Видеонаука: сетевой журн. 2016. № 1(1). URL:https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/42-umnye-materialy-i-ikh-primenenie-obzor (дата обращения 19.06.2016).