Титановый череп и сердце из сфероидов: импланты ТРИНИТИ уже вживляют пациентам

Сегодня 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 свой­ства лучше, поэтому они больше подходят для имплантов нагруженных костей опорно-­двигательного аппарата, спинальных кейджей».

Имплант за неделю

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.

Повысить совместимость

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 научно­исследовательский онкологический институт им. Герцена и Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Гамалеи. Медики исследуют биоактивные свой­ства 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.