Универсальный создатель: сможет ли 3D-принтер заменить доноров органов
В апреле израильские ученые смогли напечатать на 3D-принтере крошечное сердце из живых тканей. Тем временем ученые из Германии разработали методику, которая поможет сделать органы прозрачными. Это нужно для того, чтобы лазер смог отсканировать строение органа с точностью до мельчайшего сосуда, создать 3D-модель, а затем напечатать ее на принтере. Кажется, что 3D-принтер придумали те, кто в детстве мечтал о волшебной палочке: с его помощью сегодня можно сделать протез и построить дом, приготовить стейк, напечатать собственную мини-копию или фигурку горгульи из пепла Нотр-Дама, как это сделала нидерландская компания (таким образом предлагается восстановить утраченные элементы собора). На 3D-принтере можно напечатать всё или есть предел совершенству — разбирались «Известия».
Дела сердечные
То самое сердце, которое напечатали израильские ученые, размером с клубнику, подойдет разве что кролику. Специалисты кафедры молекулярно-клеточной биологии Университета Тель-Авива преобразовали жировые клетки одного из пациентов в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы, добавили соединительную ткань и загрузили своеобразные чернила в принтер. Через три часа сердце было готово.
Сердце, напечатанное на 3D-принтере
«Это исследование открывает путь медицине будущего, когда пациентам больше не придется ждать органы для пересадки или принимать лекарства, предотвращающие их отторжение. Вместо этого прямо в больницах будут напечатаны необходимые органы, полностью персонализированные под каждого пациента», — сообщили в пресс-службе Университета Тель-Авива.
С трансплантологией во всем мире действительно непросто. В России, по словам министра здравоохранения Вероники Скворцовой, за последние три года количество операций по трансплантологии увеличилось в 1,5 раза. В 2018 году было пересажено 1,4 тыс. почек, сделано 500 пересадок печени и 290 — сердца. При этом в очереди на трансплантацию только почки могут стоять около 20 тыс. человек. Поэтому возможность напечатать новый орган, а тем более такой сложный, как сердце, действительно решит серьезную проблему нехватки доноров. Надеемся, что исполнительный директор ведущей компании по 3D-биопринтингу в России Юсеф Хесуани окажется прав, озвучивая прогноз Международного общества биофабрикации в интервью «РИА Новости»: первые пригодные для пересадки человеку органы будут напечатаны к 2030 году (вероятно, это будет кожа и хрящ). Проверим, осталось недолго. В конце концов, еще три года назад российские ученые успешно пересадили напечатанную щитовидную железу мыши.
А пока эксперты не спешат назвать опыт израильских ученых прорывным.
— Это ранний этап, первые шаги. Условно говоря, это как в обычной печати: сначала освоили черно-белую печать, а настоящее сердце — это уже цветная, — говорит «Известиям» медицинский директор компании по разработке и производству медицинских изделий для интервенционной кардиологии «Ангиолайн» Олег Волков. — Открытый вопрос: как, если ты уже напечатал, например, печень или почку, свести сосуды? У нормального органа есть своя сосудистая сеть, а 3D-принтер до определенного момента не позволял интегрировать эти сосуды при печати. Сейчас тестируют технологии, которые это делают. С трансплантологией везде сложно. Можно подобрать донора, совместимого по всем показателям, а всё равно будет отторжение органа. Поэтому печать решает главный вопрос биологической совместимости. Неважно, что это будет — маленький зубик или большая печень, сердце. Сейчас даже популярные в стоматологии металлические импланты могут 100% не прижиться.
Печать сердца на 3D-принтере
По словам Олега Волкова, что точно случится быстрее печати функционального человеческого сердца, так это печать отдельных структур. Например, сердечного клапана.
— Сейчас, по сути, клапаны пересаживают двух типов: механический и биологический, — объясняет Олег Волков. — Для биологического клапана берут либо ткани свиньи, либо ткани коров — например, бычий перикард (наружная оболочка сердца и околосердечных сосудов или околосердечная сумка. — «Известия»). И есть нюансы. Во-первых, особенности физиологии этих животных. Во-вторых, та же свинья не везде приветствуется как источник биоматериала по религиозным соображениям. Но главная беда биологических клапанов в том, что, в отличие от механических, они лучше работают в организме, но подвержены разного рода трансформациям: могут обызвествляться (откладывать соли кальция. — «Известия»), а створки — уплотняться. В конце концов клапан перестает работать и требует замены. Печать клапана из собственных клеток человека, которые будут не просто совместимыми, а «родными», действительно поможет.
Объективно об аддитивных
3D-печать, или 3D-принтинг, называют аддитивными технологиями (от англ. add — прибавлять, соединять) из-за способа печати: путем наложения, то есть прибавления слоя за слоем, на свет появляется смоделированный объект.
— Помните, как в фильме «Москва слезам не верит» фанат от телевидения говорил? Скоро не будет ни театра, ни кино, будет только телевидение. Я тоже в шутку повторяю, что скоро не будет ни литья, ни штамповки, ни прессовки, будет один сплошной 3D-принтинг, — говорит «Известиям» научный руководитель инжинирингового центра прототипирования высокой сложности «Кинетика» НИТУ «МИСиС» Александр Громов. — Современные 3D-принтеры пока несовершенны, они похожи на самые первые принтеры для бумаги со стучащими каретками. Но когда эти принтеры дойдут до такого уровня, как сейчас принтеры для печати бумаги, тогда они действительно смогут напечатать всё.
И дает на «разгон» технологии лет десять. Пока масштабное применение 3D-печати в ведущих отечественных отраслях дороже традиционных технологий. Например, принтер по печати металлом стоит около €100 тыс., хотя китайский аналог уже в два раза дешевле, а некоторые принтеры для печати пластиковых деталей стоят уже несколько тысяч рублей.
Процесс печати на 3D-принтере в Центре технологической поддержки образования Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» в Москве
— У многих в Европе в гаражах стоят эти пластиковые принтеры. Зачем ехать за деталью, если можно ее напечатать! Те, кто более-менее с 3D-моделью разбираются, смогут это сделать, а когда-нибудь это будет так же просто, как работать с файлами Word, — говорит Александр Громов. — У каждой технологии есть период внедрения. Лазеры появились в конце 50-х годов прошлого столетия, а распространились повсеместно только сейчас. Почти 70 лет прошло. Аддитивные технологии появились примерно в 1990-х годах, так что нужно еще лет 10, 20, 30… Сейчас, конечно, всё быстрее, жизнь и наука ускоряются, так что в ближайшие 10 лет 3D-принтеры будут распространены повсеместно. Особенно интересно посмотреть, как это будет работать в космосе, на Луне. Привез с собой принтер, напечатал из лунного грунта всё — от ложки до дома и корабля, на котором полетит обратно. Удобно!
И, возможно, уже через пару десятков лет на вопрос «Какую одну вещь вы бы взяли с собой на необитаемый остров?» каждый ответит: «3D-принтер». А пока дела в России обстоят неплохо, но мы еще не в лидерах, хотя отечественный 3D-биопринтер тестируют на МКС, а в двигателе ПД-14 для гражданского лайнера МС-21 стоит напечатанная деталь. Готовимся запустить в космос ракету, в двигателе которой будет стоять напечатанная на принтере форсунка.
— По аддитивным технологиям Китай, наверное, уже обогнал Америку и стоит на первом месте. Мы где-то на шестом-седьмом месте, то есть в десятке, но где-то на нижних позициях по одной простой причине: в Европе 3D-печать используют везде, а в России ее только-только начинают внедрять. Даже если где-то внедряется, то никто не расскажет, что у них на производстве стоит 3D-принтер: не хотят плодить конкурентов, — рассказывает «Известиям» член Ассоциации представителей отрасли аддитивных технологий (АПОАТ) Сергей Пушкин. — Почему в автомобиле и авиастроении практически не применяются аддитивные технологии? Потому что нет ГОСТов. Да, аддитивные технологии используются в промышленности, ВПК, но для создания прототипов.
Первый российский 3D-принтер для печати крупных металлических изделий в условиях невесомости, представленный на IV форуме молодых ученых U-NOVUS-2017 в Томске
И даже на фоне новостей, что в Петербурге запускают серийное производство промышленного 3D-принтера, серийное производство уже при помощи 3D-принтера, по мнению Сергея Пушкина, для интенсивного производства пока точно невозможно. Во-первых, долго: одна деталь может «расти» от нескольких часов до нескольких суток. Во-вторых, дорого, если попробуем ускорить процесс, закупив с десяток принтеров.
— Смысл 3D-печати — в создании прототипа, — поясняет Сергей Пушкин. — Например, есть предприятие, которое производит корпус для электроники. Инженер чертит макет корпуса и отправляет его на производство. Через месяц ему возвращают корпус обратно из-за ошибки проекта. Перепроектировали, снова отправили на производство — опять ошибка. И так одну деталь можно разрабатывать год. А 3D-принтер напечатает деталь в зависимости от размера за один-два часа либо сутки-двое. Пока он печатает, инженер может заметить ошибку и перепроектировать. Сделал пластиковую деталь — запустил в производство, изготовили форму для литья. Сокращение сроков производства и финансовых расходов.
Дом, который построил не Джек
В 2017 году в Ступино вырос настоящий 3D-дом, целиком, а не по кирпичику напечатанный на принтере. Но прошла пара лет, и за это время кварталы напечатанных на 3D-принтере домов так и не появились, зато можно свободно купить строительный принтер. Правда, стоимость агрегата, который построит дом целиком, соизмерима по цене с обычным жильем — несколько миллионов рублей. Для личного пользования цена кусается, но как бизнес-идея вполне жизнеспособна.
— Между прочим, мы лидеры в строительном 3D-принтинге, только об этом никто не говорит, — удивляет Сергей Пушкин. — У нас есть две компании, которые занимаются разработкой данных принтеров, их принтеры уже и Арабские Эмираты купили, и Дания, да вся Европа закупает. Одна компания только в России продала больше 60 принтеров. В Ярославле они построили дом, в котором живут люди.
При этом «полностью напечатанный на 3D-принтере дом» — это не совсем верно. Скорее, стены. Коммуникации, электрические сети по-прежнему прокладываются по старинке.
— Это всё подходит для индивидуального строительства какого-нибудь дачного домика. Сделать стены неправильной формы, с округлостями, с помощью обычных опалубок очень сложно и дорого, поэтому применяются строительные принтеры, — говорит Сергей Пушкин. — Строительство жилых многоквартирных домов пока невозможно: трудно раскачать бюрократическую машину. Даже представить не могу, сколько нужно ГОСТов и СНИПов, чтобы госкомиссия приняла такой дом!
Кстати, об авторитете наших производителей строительных 3D-принтеров говорит и один неприятный случай: года два назад датчане практически присвоили себе российскую технологию. Начиналось всё честно. Датская компания выиграла грант на разработку принтера, но финны начали обгонять. Тогда иностранцы обратились к нашим, ярославским умельцам: мол, помогите, продайте оборудование. «Без проблем, поможем и в пуске-наладке, но только не забудьте нас упомянуть». А дальше — ничего личного, только бизнес. Этикетку с принтера сняли, заменили какую-то деталь и гордо объявили о строительстве офиса с помощью «собственного» 3D-принтера. О России — ни слова. Ярославцы хотели было судиться, а потом махнули рукой, но по новостным лентам пустили свою, справедливую версию события: «Датчане напечатали дом на русском принтере» .
Инженеры будущего
Журнал Singularity Hub опубликовал прогноз по развитию 3D-печати до 2024 года. Итак, первый и очевидный среди ожидаемых прорывов — увеличение скорости печати в 50–100 раз. Далее нам обещают целые кварталы 3D-домов, как в Нидерландах (в городке Эйндховен реализуют проект коммерческого жилья на основе трехмерной бетонной печати), 3D-гамбургеры, развитие металлической трехмерной печати и функцию управлению печатью с голосом (такой «ок, принтер»).
Эксперты соглашаются: похоже на правду, над многим из перечисленного ученые работают уже сейчас. Хотя к еде относятся скептически: из воздуха ее всё равно не сделаешь, так что по сути это еда из еды. И вообще, наши бабушки тоже занимались 3D-принтингом, когда делали розочки на торте при помощи кулинарного пакета и крема.
Изделия, изготовленные на 3D-принтере. IV Международная выставка 3D-печати и сканирования 3D Print Expo 2016 в конгрессно-выставочном центре «Сокольники»
Впрочем, применительно к России можно сделать свой прогноз по развитию 3D-печати.
— Основной прогноз и самое главное — развитие 3D-образования, — говорит Сергей Пушкин. — Почему у нас еще нет широкого производства 3D-принтеров? Нет специалистов, которые бы это производство применяли. Вакансий на рынке 3D миллион, а людей нет. Есть новички, которые только-только начинают развиваться, поэтому производство пока стоит. 3D-принтер — это станок, которым нужно уметь управлять. Это не просто нажал на кнопку, и он выдал готовую деталь, это большой технологический процесс: откалибровать, настроить, купить расходный материал и смоделировать. Должно быть минимальное инженерное образование. Чтобы сделать свисток или подставку для телефона, образование не надо, но если ты хочешь сделать что-то серьезное, то без образования не сможешь. Как только появится больше профессионалов, инженеров, дело пойдет.
Хотя, по словам эксперта, уже сейчас 3D-принтеры потихоньку если не опустошают цеха, то вытесняют сотрудников на производстве.
— Раньше человек сам изготавливал зубные протезы, а теперь их изготавливает 3D-принтер. То же самое в промышленном производстве. Завод, который изготавливал прототип изделия, потерял заказчика, потому что инженер всё напечатал. Мы потеряли Васю-фрезеровщика, Диму, который стоял за станком, и Петю, который потом эту деталь обрабатывал.
Еще один пункт на перспективу — появятся ГОСТы, стандарты для промышленного производства, а работать с 3D-печатью станет проще.
— Будут появляться новые технологии, новые материалы, новые принтеры, — говорит Сергей Пушкин. — Улучшится качество печати, а пользовательский интерфейс станет проще. Появится готовый код команды — останется только загрузить пластик, выбрать из списка и нажать кнопку. Грубо говоря, каждая домохозяйка сможет напечатать что-то для себя.
