Газета Завтра Газета - Газета Завтра 8 (1212 2017)
" ЗАВТРА". А какие сейчас есть ограничения у 3D-принтеров? Что они могут, а что им недоступно? Они могут, например, сразу сделать деталь из высокопрочного стального сплава?
Иван КОНОВАЛОВ. Вот об этих ограничениях я и упомянул. Нет, как раз из стали пока что 3D-принтеры ничего сделать не могут: нет такой технологии, которая могла бы точно и прочно спечь стальной порошок и получить готовое изделие, сравнимое по физическим и химическим свойствам с продукцией фрезерного или токарного производства. Последнее достижение аддитивных технологий в "стальном мире" — это лишь высокопрочная точечная сварка стальных конструкций, в такой технологии сейчас, например, собирают мост в Голландии, где все операции по соединению стальных балок производит робот. Однако, как вы понимаете, от такого подхода до "отливки" готового стального моста по 3D-модели всё-таки дистанция серьёзного размера.
С другой стороны, в части других металлов у 3D-принтеров есть серьёзные успехи, в первую очередь — в рамках развития технологий SLS (выборочное лазерное спекание) и SLM (выборочная лазерная плавка). SLS и SLM-принтеры уже освоили такие материалы, как алюминий и углепластики. Например, детали для ракетных двигателей J-2X и RS-25, изготовленные методом SLM, были приняты по качеству даже НАСА. Хотя они несколько уступают по плотности материала деталям, изготовленным литьём и сваркой, но отсутствие сварочных швов благоприятно влияет на прочность изделий, и в итоге получается то же самое качество, приемлемое даже для ракетной техники.
Основное препятствие применения мощной SLM-технологии в "стальном мире" сегодня — это вопрос создания качественных и дешёвых порошков для последующего спекания лазерами высокой мощности. Как только материаловедение решит задачу создания таких порошков — 3D-принтеры закроют практически весь спектр используемых человечеством материалов, кроме, пожалуй, самых экзотических. И вот тогда это станет настоящим "философским камнем": из горы невзрачного серого порошка можно будет собрать и собор, и яхту, и космический корабль.
" ЗАВТРА". Если речь зашла об экзотических материалах — то, возможно, стоит рассказать о медицине и опыте вашей лаборатории в создании весьма сложных "деталей", потом попадающих в человеческий организм?
Иван КОНОВАЛОВ. Да, медицинская сфера — нагляднейший пример того, как аддитивные технологии позволяют решать массу задач, которые невозможно было сделать пилой, зубилом или даже фрезерным станком с ЧПУ. На сегодняшний день очень масштабные разработки в медицинской отрасли связаны с 3D-печатью искусственных суставов, скелетных костей, элементов черепа и позвоночника. То, что сейчас доступно для больных людей и инвалидов в виде весьма ограниченного набора стандартных титановых или полимерных имплантатов-заменителей, которые надо подгонять и адаптировать под свойства и особенности конкретного человека, уже в промежутке трёх-пяти лет можно будет легко и массово получать в виде готовых имплантатов, созданных на основе компьютерной томографии (КТ). То есть напечатанный имплантат будет полностью повторять вышедшую из строя человеческую кость — в силу чего и сама операция пройдёт проще, быстрее пойдёт процесс заживления и реабилитации. В стоматологии эти технологии уже активно применяются, причём не только в западных странах, но и в России. Сегодня можно на основании той же КТ изготовить индивидуальные коронки для замены разрушенных зубов, и точность такой коронки будет в районе 10-15 микрон, это практически полный аналог живого зуба, человек не чувствует замены.
" ЗАВТРА". Так что, отдавать ребёнка в медицинское училище на зубного техника уже безнадёжное занятие? Его заменят 3D-принтером?
Иван КОНОВАЛОВ. Ну, всё не так трагично. В конце концов, с исчезновением московских извозчиков появились водители московских такси и машинисты метро. Так что, думаю, и в вопросе зубных техников всё не так печально — им надо будет просто переквалифицироваться в специалистов по стоматологическим аддитивным технологиям, которые будут знать о компьютерной томографии, фотополимерах и принтерах гораздо больше, чем сегодня знают о своих нехитрых инструментах. Вместо работы руками предстоит работа головой — разве это не вариант?
Более того, оказывается, что компьютерное моделирование позволяет уйти в более щадящие технологии и с точки зрения самих пациентов. Например, с помощью специальных накладок-кап сегодня можно безболезненно поменять прикус, что раньше приходилось делать установкой травмирующих и неудобных брекет-систем. Сейчас же изменение прикуса моделируется компьютером, а человек просто постоянно носит во рту корректирующую капу-накладку, которая день за днём двигает зубы так, как это рассчитал компьютер, оказывая на них точное управляющее давление. А результат один — ровные зубы, приятная улыбка, правильный прикус.
" ЗАВТРА". Зубы, кости, суставы… Это ещё можно понять и принять. А насколько реальны утверждения о том, что завтра можно будет "напечатать" послойно если не всего человека, то, по крайней мере, какие-то его органы, целиком состоящие из живых клеток, а не из костной и соединительной ткани, которые мы уже смогли воспроизводить достаточно уверенно?
Иван КОНОВАЛОВ. Пока что мягкие, "живые" человеческие органы и их печать находятся за пределами возможностей аддитивных технологий. Я здесь подчёркиваю именно слово "технологии", поскольку мы говорим не о каких-то смелых опытах в научных лабораториях, а о массовом явлении, которое влияет на нашу жизнь, изменяет наши представления о ней. Известно, что в США проводятся уже около десятка лет опыты по печати небольших участков достаточно простых тканей — кожи, мышц, кровеносных сосудов. Наибольшим успехом было создание в 2006 году из человеческих клеток имплантатов мочевых пузырей, с которыми люди живут и сегодня. Однако сама индустрия печати человеческих органов из живых клеток только зарождается, в настоящее время большая часть таких работ выполняется практически вручную, а при помощи 3D-делают только незначительную часть — создание плоской структуры слоя ткани. Но перспективы в этой сфере, конечно, захватывающие.
Это обычная ситуация — например, один из столпов современной 3D-печати, так называемая стереолитография (сокращенно — SLA) появилась на уровне лабораторных опытов ещё в 1960-х годах, когда впервые были получены стабильные результаты в виде "засветки" лазером фотополимеров в жидком состоянии, в результате чего в толще раствора полимера в жидком состоянии с помощью когерентного света формировали сложную пространственную структуру. Однако первый SLA-принтер был запатентован только в 1986 году, а создан в виде эффективного промышленного изделия десятилетием позже. Ну, а на нынешние высокие стандарты качества SLA-технология и вовсе вышла в середине 2010-х годов. Это обычный "шаг технологии": от идеи и опыта до массового применения и устоявшейся технологии всегда проходят не месяцы, но годы и даже десятилетия. Поэтому печать живого человеческого сердца я жду лет через десять, не раньше.
" ЗАВТРА". Живое сердце? А что, есть неживое? Оно-то зачем?
Иван КОНОВАЛОВ. Не смейтесь. Неживые, инертные модели органов мы печатаем на 3D-принтерах уже сегодня. И нужны они не пациентам, а врачам. Печень, почка, поджелудочная железа — это сложные трёхмерные органы, которые хоть и похожи у всех людей, но имеют разное положение полостей, протоков, сосудов и нервов, находящихся в них. В силу чего любой хирург, который проводит операцию на живом органе (а других-то нет!) какие-то подробности об их строении часто выясняет уже во время операции, когда его скальпель доходит, например, до неприятной вены, которая мешает работе. Да, до момента операции хирург всегда изучает и рентгеновские снимки, и плоские разрезы КТ, но всё равно — он работает с трёхмерным органом, работает в состоянии стресса и ограничений по времени, может допускать ошибки, действовать в неудачном ключе. А мы поступаем иначе: на основе последовательных срезов КТ делаем точную трёхмерную модель нужного человеческого органа из материала, похожего на живые ткани (пластик или силикон), после чего она попадает к хирургу — и он уже может спокойно разработать план операции, посмотреть, куда ведут его разрезы скальпеля, не пересекают ли они важные артерии или нервные окончания. И это, как оказалось, радикально экономит время — по оценкам, время операции сокращается в два-три раза, вместо двух-трёх часовой операции можно иногда справится за сорок минут, если у врачей была модель оперируемого органа. А это уже, согласитесь, технология.
То же — и в создании так называемых хирургических шаблонов, когда из такого же инертного материала создаётся накладка на орган или на ткань, которая не позволяет хирургу отклониться от оптимального направления в положении хирургического инструмента, повредить не те ткани или соседние здоровые органы. Тут самый наглядный пример тоже будет из области стоматологии: сегодня мы печатаем на 3D-принтерах высокоточные хирургические шаблоны для установки зубных имплантатов. В прошлом, до их прихода в медицину, имплантаты, особенно устанавливаемые в нежную верхнюю челюсть, иногда пробивали её верхний свод и выходили своими концами в слизистую или даже в полость гайморовой пазухи, вызывая потом постоянные воспаления в ней. Сейчас это осложнение исключили — в том числе и за счёт применения хирургических шаблонов.
