Университет науки и технологий МИСИС развивает аддитивные технологии в нескольких направлениях, в т.ч. медицинском, включая печать имплантатов и биопринтинг. И если о хирургических операциях для лечения людей на конференциях говорят сравнительно часто, то об опыте в ветеринарии информации мало. На вопросы по данной тематике ответил директор Института биомедицинской инженерии МИСИС, д.ф.-м.н. Фёдор Сенатов.

3D-печать в области ветеринарии — это прежде всего опыты, результаты которых можно применить для лечения человека, или это самостоятельное направление?

И для животных, и для человека, конечно же, могут быть общие подходы, если мы говорим, например, о замещении небольших ненагруженных дефектов костной ткани после травм, воспроизводстве структуры костей с точки зрения необходимости остеоинтеграции. Но если речь идет о проблемах, связанных с конечностями, с опорно-­двигательным аппаратом, то у животных другая биомеханика. Опора осуществляется на четыре лапы, c чем связано отличное от человека распределение нагрузки. Поэтому 3D-печать в ветеринарии необходимо рассматривать как самостоятельное направление.

Каких животных и какие их болезни лечат с помощью 3D-печати?

Чаще всего, конечно же, лечат домашних животных: собак, кошек, лошадей. Например, используются различные имплантаты для восстановления подвижности конечностей, потому что животное участвует в ­каких-то выставках, в разведении и т. д. Бывают обращения и с более мелкими животными, например, кроликами, когда хозяева хотят восстановить ­какие-то участки тканей. В мировой практике даже попугаям изготавливали внешние протезы для лапок. 3D-печать позволяет индивидуально подходить к существующей проблеме.

Примечательно, что в мировой практике есть даже опыт страхования животных, и в ­каких-то случаях страховка может покрывать создание сложноконфигурированных имплантатов.

Какие технологии 3D-печати наиболее подходят для ветеринарных задач?

В основном осуществляется печать металлами и пластиками. Металлические изделия обычно изготавливают с помощью технологии селективного лазерного плавления. По материалам — чаще всего это стандарт, давно применяемый в медицине для человека: титановые сплавы, например Ti–­Al–­V. 3D-печать металлами используется с целью восстановления подвижности конечностей, малых и крупных костей, формирования ­каких-либо ортезов и креплений и так далее.

Для 3D-печати полимерными материалами чаще используется технология FDM как дешевая, распространенная и гибкая с точки зрения индивидуального подхода. Достаточно иметь термопласт или композиционный материал на основе термопласта с адекватным диапазоном плавления для того, чтобы формировать те же самые ортезы или имплантаты костей с небольшой нагрузкой. Понятно, что полимерные материалы будут уступать металлическим с точки зрения физико-­механических свой­ств, но дешевизна играет большую роль.

Используется ли в ветеринарии биопечать? 

Есть ли к этому потенциал?

Если мы говорим про направление, где в ходе печати используются живые клетки, то во всем мире оно активно развивается, но в первую очередь в области печати мягких тканей. Россия входит в топ‑5 стран, и в ­чем-то мы мировые лидеры: осуществление печати сразу на человеке или на животном, первая в мире операция с применением биопечати in situ сразу на человеке в 2023‑м году, применение методов биофабрикации в различных полях — в магнитном, акустическом.

Развитие биопечати идет в три больших этапа. 

Первый — печать плоских органов, в том числе кожи. И это достаточно понятный, лабораторно пройденный этап, который сейчас точечно и постепенно входит в клиническую практику. Второй — печать трубчатых органов, кровеносных сосудов. Весь мир пока остановился на нем, поскольку изготавливать стабильные кровеносные сосуды сложно, а пока этого не сделаешь, затруднительно перейти на третий этап. Третий этап — это печать больших функциональных органов: печень, почки, сердце. Несмотря на то, что революционный шаг был сделан в России компанией 3D Bioprinting Solutions в 2014–2015 году в области печати щитовидной железы, в дальнейшем в мире существенных продвижений не было.

Можно ли наработки использовать в ветеринарии? Да, можно. Но пока клеточные технологии очень ограниченно используются. Практики ориентируются на стандартные подходы, которые адекватно могут быть применены для решения проблем. Сдерживающими факторами для биопринтинга являются цена и сложность технологии.

Какой существует алгоритм диагностики и хирургического воздействия с применением напечатанных изделий?

Если мы говорим про аддитивное производство изделий для ветеринарии, то, конечно же, входными данными должна быть 3D-модель. Компьютерная модель может быть получена разными путями. Классика — это томографические исследования (КТ, МРТ), иногда можно ограничиться просто данными с рентгеновского двумерного снимка. Также необходимо уточнить исходные данные животного — вес, сопутствующие заболевания. От этого будет зависеть, какие материалы лучше применять, насколько быстрая будет остеинтеграция. При онкологическом заболевании, например, можно ожидать плохого заживления.

Второй этап — обсчет моделей и оптимизация под конкретный дефект.

Третий этап — подбор материалов, как правило, из имеющихся, которые уже стабильно применяются на рынке ветеринарии, как я уже сказал, это титановые сплавы, полимерные материалы или же, например, более точечно, керамические материалы. Керамика — более дорогой материал, но тем не менее применяется в ветеринарии для элементов эндопротезов суставов. При ­каких-то сложных случаях иногда возникает необходимость разрабатывать специальный материал. И тут должны подключиться специалисты-­биоматериаловеды, которые его разработают, проверят его биосовместимость, механические характеристики, оптимизируют под конкретную 3D-модель и желаемую структуру. 

Допустим, имплантат должен быть пористый, значит, нужно учитывать оптимальные размеры пор для ускоренной остеоинтеграции, для прорастания кровеносных сосудов. Костные клетки остеобласты, например, любят размер пор примерно 300 мкм для заселения имплантата. Ряд вопросов также связан с адгезией, химией поверхности, материаловедением, оптимизацией компьютерной модели, обеспечением примыкания по границе. Работа по их решению проводится совместно инженерами, медиками, биологами, то есть работает мультидисциплинарная команда.

После того как эти этапы пройдены, обычно печатается проба из ­какого-­нибудь дешевого ABS-пластика, чтобы визуализировать модель, дать хирургу возможность покрутить ее в руках, приложить к дефекту. 

Далее, если это нагруженный дефект, изготавливается имплантат, который испытывается лабораторно под предельной нагрузкой. На изделие для дога и чихуахуа будут оказываться различные воздействия. В случае успешного прохождения испытаний изготавливаются два дублирующих имплантата, второй запасной на случай, если ­что-то пошло не так. Бывают такие ситуации, когда хирургу интраоперационно нужно подработать даже сделанный по 3D-модели и, казалось бы, идеально подходящий имплантат.

C какой точностью необходимо воспроизводить имплантаты для животных?

По этому параметру мы руководствуемся опытом. 

Высокая точность для изготовления костей, как правило, не требуется. Именно поэтому методы FDM-печати в случае небольших дефектов и селективное лазерное плавление подходят для изготовления имплантатов. 

В будущем, когда пойдет речь о биопечати кожи и элементов мягких тканей, ­опять-таки высокая точность до единицы микрон не нужна. Надо просто соблюсти необходимую конгруэнтность, а дальше организм животных сделает свое дело.

Где в медицине нужна высокая точность? Например, для людей в области стоматологии, где каждая небольшая шероховатость может быть чувствительна.

Помнится, лет шесть назад широко прошла информация о том, как ветеринар из Новосибирска Сергей Горшков вживлял протезы кошкам. Ваш доклад шестилетней давности содержал сведения о спасенных собаках. А есть ли ­какая-то программа по лечению животных с применением 3D-печати?

Специализированных программ именно для животных, наверное, нет. Честно говоря, я не слышал. Возможно, есть помощь от фондов. Именно поэтому чаще всего на ветеринарном рынке по направлению 3D-печати работают те компании, которые в первую очередь ориентируются человека, а как некий спин-офф ­что-то делают и для ветеринарии.

Приведите примеры из своей практики, которые Вы считаете особенными: сложными, высоко востребованными, многообещающими…

Я бы из нашей практики выделил три значимых события. Первое в 2016–2017 годах, когда именно для ветеринарии мы пробовали использовать клеточные инженерные конструкции. Это были первые в России опыты МИСИС с коллегами из НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина и клиники «Биоконтроль», когда 3D-напечатанную металлополимерную конструкцию комбинировали с клетками пациента. Тогда был проведен первый и важный для нас опыт с котом Лапуней, которому было на тот момент 15 лет. Диагноз — остеосаркома, резекция кости на лапе — 7 сантиметров, восстановление с помощью клеточной инженерной конструкции (рис. 1). Это был знаковый прецедент, который подтолкнул развитие не только в ветеринарии, но и для лечения людей.

Рис. 1. Металлополимерная конструкция для кота Лапуни

Вторая группа довольно сложных случаев — это разработка дыхательных стентов для собак с коллапсом гортани. Работа также велась с коллегами из клиники «Биоконтроль» (рис. 2).

У некоторых собак, таких как мопсы, может наблюдаться коллапс гортани, когда из-за проблемных изменений тканей остается минимальный для дыхания просвет. Чтобы облегчить дыхание, устанавливается трубка, но собаки ее часто выкашливают. Вот для этих задач мы с коллегами и разрабатывали дыхательный металлополимерный стент с памятью формы. В свернутом виде его помещали в гортань, где при воздействии температуры тела собаки он контролируемо менял форму, деликатно раздвигая стенки гортани. Это была довольно сложная задача, которая потребовала глубоких знаний в области биоматериаловедения.

Ну и третья группа разработок — это артродезы с эффектом памяти-­формы (рис. 3). Когда надо фиксировать сустав у собак, это делается с помощью довольно жесткого полимерного материала, который обладает эффектом памяти формы. Например, он фиксируется на косточках рядом с суставом в свободном режиме и потом, нагреваясь, начинает видоизменяться, облегая кости, сустав необходимым для фиксации образом. 

То есть он приводит сустав в анатомически верное положение, которое по 3D-модели задано заранее.

Рис. 2. Дыхательный полимерный стенд для собак с коллапсом гортани

Рис. 3. Артродезы с памятью формы

Почему в решении ваших задач была сделана ставка на 3D-печать?

Применение 3D-печати обусловлено необходимостью создания индивидуальной по форме и структуре конструкции сложной геометрии, которую традиционными способами невозможно изготовить.

Вы упомянули про материалы с памятью формы. Расскажите о них чуть подробнее.

Материалы с памятью формы как группа развиваются с 60–70‑х годов. МИСИС начал развивать медицинское направление в 70‑х годах, и в 1977 году здесь были разработаны медицинские сплавы с памятью формы на основе титана, а в 1984 году совместно с ВНЦХ (сейчас — Центр хирургии им. Б.В. Петровского) была проведена первая в мире операция по стентированию кровеносного сосуда человека стентом с памятью формы. После этого металлы с памятью форм начали активно применяться по всему миру в основном для стентирования. Позже стали развиваться полимерные материалы с памятью формы, вот из них-то и стали изготавливать медицинские имплантаты, которые, например, малоинвазивно могут быть введены через небольшое отверстие в организм, отогреваются и самопозиционируются. Это пока точечное использование и широко в клинической практике не применяется, но развитие идет.

Есть ли запрос на такие операции и лечение от ветеринаров?

Конечно, есть. Только через взаимодействие с практикующими специалистами это направление можно продвигать. Среди наших сотрудников есть и медики, и биологи, но невозможно развиваться без конкретного запроса от ветеринаров. Человек, который будет применять наработки, — это хирург. Если ему по ­какой-то причине неудобно ставить имплантат или ­какую-то другую конструкцию, он просто не будет ее использовать. Изначально важно учитывать его запросы к изделию или оборудованию. Кроме того, нужны готовить кадры, которые потом смогут работать с таким сложным оборудованием, как, например, для биопечати. От них требуется понимание биологических, материаловедческих, химических, инженерных, даже IT-нюансов. Мы учитываем это, когда готовим студентов.

Надо ли получать разрешение на применение 3D напечатанных изделий в ветеринарной практике?

Чаще всего в ветеринарной практике предъявляются те же самые требования, что и в медицине, — по помещению, по разрешительным документам на индивидуальное изделие, поскольку процессы, в принципе, очень схожие.

Как Вы видите развитие этого направления?

В первую очередь надо больше внимания уделять изучению биомеханики животных. Даже если мы говорим про ­какие-то небольшие изделия, например, кейджи для позвоночника, просто перенести опыт из медицинской практики в ветеринарную неправильно. Моделирование должно осуществляться с учетом анатомии конкретных животных. И в этом ключевое требование для развития в ветеринарии.

А как обеспечить обмен информацией в этой области, чтобы не каждый начинал с нуля, а мог воспользоваться опытом коллег?

Надо чаще встречаться. У нас есть замечательные партнеры, мы можем с ними пообщаться, позвонить в любой момент. Но часто получается так, что хирурги развиваются и общаются в своем сообществе, разработчики инженерных решений и материаловеды — в своем, пересечений нет. И если сейчас медики и инженеры научились встречаться вместе на одних мероприятиях и таких мероприятий становится больше, то в области ветеринарии общение все еще идет на уровне личных знакомств. А это можно делать через ­какие-то форумы, чуть более широкие и специализированные, чтобы туда заходили не только ветеринарные врачи, но и биомедицинские инженеры.

Сотрудники Института Биомедицинской инженерии университета МИСИС: профессор Наталья Анисимова, ассистент Полина Ковалева, директор Фёдор Сенатов, доцент Владислав Львов

Кто и в каких вопросах мог бы стимулировать необходимые работы?

Гранты  всегда были очень хорошим вариантом поддержки, и при правильном позиционировании это еще стимул к взаимодействию. Например, выделение первых грантов в рамках федеральных целевых программ заставляло дружить университеты с промышленными предприятиями (индустриальными партнерами). Через субсидии, через грантовую поддержку можно иници-

ировать программы, где обязательным пунктом является наличие партнера, разработчика из ­какой-то другой области, например, инженерии, материаловедения, клеточной биологии и т. д.

Можете поделиться ближайшими планами?

Сейчас в рамках Института биомедицинской инженерии МИСИС совместно с партнерами мы активно развиваем направления биопечати, 3D/4D-печати, лечения ран и ожогов, нейротехнологий, скриннинга лекарственных препаратов, материалов для травматологии и ортопедии, тераностики. Часть этих разработок может быть применена и в ветеринарии. 

Вопросы задавала Татьяна Карпова

Использованы фотографии пресс-службы Университета МИСИС

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2026