Недавнее исследование, проведённое группой учёных и врачей из Северного Техаса, знаменует собой важный прорыв в области биомедицинских технологий и ортопедии. Их команда сумела напечатать трёхмерную модель части человеческой бедренной кости, которая по своим механическим свойствам практически не отличается от настоящей кости, а в некоторых показателях даже превосходит её. Эта разработка принципиально меняет подходы как к тренировке хирургов, так и к созданию вспомогательных медицинских устройств для лечения заболеваний и травм костей. Бедренная кость, являющаяся самой длинной и сильной в человеческом теле, анатомически сложна и отвечает за поддержку веса тела, движение и устойчивость. Поэтому любые успешные попытки воспроизвести её механические качества искусственным образом представляют большой интерес и для медицины, и для науки.
Учёные использовали полилактическую кислоту — доступный биоразлагаемый полимер, который отличается не только доступной стоимостью, но и экологичностью, что является немаловажным фактором для масштабных медицинских применений. 3D-печать позволила контролировать внутреннюю структуру модели, что дало возможность оптимизировать прочностные характеристики готового изделия и добиться его сопоставимости с человеческой костью по таким параметрам, как гибкость и устойчивость к нагрузкам различного типа. Эта технология открывает новые перспективы для хирургов, так как с помощью готовой точной копии кости можно заранее на практике отработать операцию, спланировать установку имплантов и объяснить пациенту суть хирургического вмешательства более наглядно. Пациенты, получая такую модель собственных костей в руки, лучше понимают процесс лечения, что повышает уровень доверия и снимает страхи, связанные с операционным вмешательством. Кроме того, применение 3D-печатных копий костей значительно облегчает подготовку новых методов лечения и тестирование новых ортопедических имплантов без необходимости использования дорогостоящих и мало доступных трупных костей.
Трупные образцы обладают ограниченным сроком хранения, высокой стоимостью и не всегда соответствуют требованиям для проведения однородных научных экспериментов. Производство заменителей с использованием 3D-печати помогает уменьшить эти проблемы и позволяет проводить специализированные исследования с высокой воспроизводимостью и перспективой серийного производства таких моделей. Помимо образовательных и научных задач, перспективным направлением становится создание биоактивных каркасов для стимуляции роста новых костных тканей. По задумке учёных, 3D-печатная кость может служить временным каркасом, который по мере развития естественного костеобразования будет постепенно растворяться и замещаться природными тканями. Подобные подходы обещают значительно облегчить лечение сложных переломов и дефектов тканей, когда традиционные методы трансплантации костного материала сопряжены с рисками отторжения и нехваткой донорского сырья.
Разработка группы исследователей получила широкое признание благодаря её доступности по цене. Стоимость изготовления одного подобного сегмента кости составляет примерно семь долларов, что значительно дешевле альтернативных синтетических аналогов и трансплантатов. Такая ценовая категория открывает возможности для массового внедрения 3D-печати в клиническую практику. Научная работа, опубликованная в «Journal of Orthopaedic Research» в 2024 году, стала важным этапом в развитии ортопедической 3D-печати и стимулировала дальнейшие исследования, охватывающие другие части скелета, такие как плечевые и предплечные кости. Учёные надеются, что усовершенствование технологий позволит наносить индивидуальные дефекты на печатные модели, имитируя состояние повреждённых или болезненных костей, что требует разработки новых хирургических техник и имплантов, адаптированных к конкретным пациентам.
Специалисты отмечают, что с развитием 3D-принтинга и повышением его доступности можно рассчитывать на внедрение более персонализированных решений в ортопедии, способствующих повышению качества и безопасности хирургических операций. Помимо медицины и хирургии, применение 3D-печатных костей будет полезно и для индустрии спортивной медицины, реабилитации, протезирования и исследований травматологии. Возможность изготовления моделей с разнообразной конфигурацией и свойствами открывает простор для экспериментов с новыми методами нагрузки, предотвращения травм и улучшения восстановления. Эксперты дерматомедицинского и инженерного направлений подчёркивают, что несмотря на достигнутые успехи, идея полностью функционального 3D-печатного костного протеза, который замещает все биохимические и физиологические функции живой кости, еще остаётся в стадии исследований и разработок. Однако первые шаги показывают убедительный потенциал в этой области.
В ближайшие годы учёные планируют расширять ассортимент печатаемых костей и создавать комплексные прототипы с использованием различных материалов и стволовых клеток, способных стимулировать естественное восстановление тканей. Одним из перспективных направлений считается интеграция систем, которые будут растворяться в организме по мере заращения кости, что обеспечит минимальную инвазивность процедур и сократит сроки реабилитации. Затраты на охват таких технологий в широкую медицинскую практику напрямую зависят от совершенствования процессов 3D-печати и появления новых биоразлагаемых материалов с улучшенными механическими свойствами и биосовместимостью. Этот прогресс может стать наиболее экономически эффективным решением для пациентов с повреждениями скелета всех возрастных групп. Комментарии специалистов из других научных центров подчёркивают, что технологии 3D-печати скелетных тканей имеют значительный потенциал для снижения стоимости хирургического образования и подготовительных процессов, что в конечном итоге отразится на качестве лечения и уровне медицинской помощи.
Планируется также расширение сотрудничества между ортопедами, биоинженерами и материаловедами для создания более совершенных моделей, которые в будущем смогут использоваться не только в клинических, но и в реабилитационных целях. Таким образом, современные методы 3D-печати дают уникальную возможность создавать кости, сопоставимые по механическим свойствам с натуральными, дешевизна и доступность которых обещают революцию в медицине. Эти открытия уже сейчас влияют на развитие ортопедии и биомедицинского инжиниринга, а в ближайшие десятилетия способны полностью изменить подходы к лечению травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата, предоставляя пациентам более качественные и эффективные методы восстановления здоровья.
