Вживление распечатки в древесину: Мастер класс по вживлению распечатки (декупаж).

Ваш браузер не поддерживает элемент

Больше аудио и подкастов на iOS или Android.

Трехмерная ( 3D ) печать существует с начала 1980-х годов, но сейчас набирает обороты. Он уже используется для изготовления самых разных вещей, от ортопедических имплантатов до компонентов для самолетов.Детали различаются в зависимости от продуктов и процессов, но основной принцип остается неизменным. Укладывается слой материала и как-то фиксируется на месте. Затем поверх него кладется еще один. Потом еще один. Потом еще один. Изменяя форму, а иногда и состав каждого слоя, можно создавать предметы, которые было бы трудно или невозможно изготовить обычными методами. Кроме того, в отличие от традиционных производственных процессов, материал не тратится впустую.

Просто нажмите «печать».

В случае Palari Homes и Mighty Buildings принтеры намного больше, чем те, которые требуются для искусственных колен и кончиков крыльев, а материалы несколько грубее.Но принцип тот же. Форсунки выдавливают пасту (в данном случае композит), которая затем отверждается и затвердевает под воздействием ультрафиолета. Это позволяет Mighty Buildings печатать такие детали, как карнизы и потолки, без использования опорных форм, а также более простые вещи, такие как стены. Затем они собираются на месте и прикрепляются к постоянному фундаменту строителями Palari Homes.

Печать 3D не только обеспечивает большую универсальность и более быстрое изготовление, но также обещает более низкую стоимость и более экологичный подход, чем это возможно в настоящее время.Это может сделать его полезным ответом на две проблемы, с которыми сейчас сталкивается мир: нехватка жилья и изменение климата. Около 1,6 миллиарда человек — более 20% населения Земли — не имеют надлежащего жилья. А на строительную промышленность приходится 11% мировых антропогенных выбросов углекислого газа. Тем не менее, углеродный след отрасли не показывает признаков сокращения.

Автоматизация приносит огромную экономию средств. Mighty Buildings заявляет, что компьютеризация 80% процесса печати означает, что фирме требуется только 5% рабочей силы, которая в противном случае была бы задействована.Это также удвоило скорость производства. Это отрадная новость, ведь строительная отрасль годами борется за повышение своей производительности. По данным консалтинговой компании McKinsey, за последние два десятилетия она выросла лишь на треть от уровня производительности в мировой экономике в целом. Цифровизация идет медленнее, чем почти в любой другой торговле. Во многих местах отрасль также страдает от нехватки квалифицированной рабочей силы. И ожидается, что это станет еще хуже. В Америке, например, ожидается, что около 40% занятых в строительстве выйдут на пенсию в течение десятилетия.

Экологические преимущества проявляются по-разному, но важным является то, что меньше необходимости перемещать много тяжелых вещей. Например, по оценкам Palari Homes, сборка ее продуктов сокращает количество поездок на грузовиках при строительстве дома в достаточной степени, чтобы сократить выбросы углекислого газа на две тонны из расчета на один дом.

Palari Homes and Mighty Buildings, более того, не единственные в своих начинаниях. Подобные проекты запускаются повсеместно.Подавляющее большинство конструкций печатают с использованием бетона. 14Trees, совместное предприятие Holcim — крупнейшего в мире производителя цемента — и CDC Group, британской правительственной организации по финансированию развития, работает в Малави. В нем говорится, что можно напечатать дом всего за 12 часов по цене менее 10 000 долларов. 14Trees утверждает, что этот процесс не только дешев и быстр, но и экологичен. Holcim утверждает, что за счет нанесения точного количества необходимого цемента и, таким образом, сокращения отходов, при печати 3D образуется всего на 30% больше углекислого газа, чем при использовании обожженного глиняного кирпича, что является распространенной технологией в Малави.

Тем временем в Мексике благотворительная организация New Story для бездомных создала партнерство с ICON , полиграфической фирмой 3D , чтобы построить десять домов площадью 46 квадратных метров. Каждый был напечатан примерно за 24 часа (хотя эти часы были распределены на несколько дней), а последние элементы были собраны Эшале, другой местной благотворительной организацией. А в Европе ключи от первого на континенте дома с отпечатками 3D в Эйндховене, Нидерланды (на фото выше), были переданы его арендаторам 30 июля.

Слоеные торты

Рассматриваемый дом, первый из пяти отдельных домов с двумя спальнями в проекте, координируемом муниципальным правительством Эйндховена и Городским технологическим университетом, является результатом сотрудничества нескольких фирм. Голландское подразделение французской компании по производству строительных материалов Saint-Gobain разработало необходимый бетонный раствор. Строительная фирма Van Wijnen построила это сооружение, а консультант Witteveen + Bos отвечал за проектирование. Его сдает в аренду его владелец Вестеда, голландский инвестор в жилую недвижимость.

Однако производство цемента, используемого в подобных проектах, не является зеленым процессом. Он превращает карбонат кальция в форме известняка в оксид кальция и диоксид углерода, и считается, что на него приходится около 8% антропогенных выбросов этого газа. Поэтому группа в Техасском университете A и M , возглавляемая Сарбаджитом Банерджи, разработала способ отказаться от этого.

Новый строительный материал доктора Банерджи был вдохновлен проектом, который он инициировал несколько лет назад по строительству дорог снабжения в отдаленные районы канадской провинции Альберта с использованием материалов, находящихся под рукой.Изобретенный им щебень сочетал в себе местную почву с мульчей из древесных волокон и удерживался вместе с помощью жидких или водорастворимых силикатов, которые затем затвердевали и действовали как цемент. Для строительства домов он использует глину и каменные обломки, которые лежат под верхним слоем почвы возле строительной площадки, измельчает их в порошок и смешивает с силикатами. Затем результат можно выдавить через сопло, после чего он быстро затвердеет и наберет прочность, чтобы сохранить свою форму и выдержать вес следующего слоя.Таким образом, процесс становится вдвойне зеленым. Это исключает как цемент, так и необходимость транспортировки на стройплощадку, часто на большие расстояния, песка и заполнителей, используемых в обычном бетоне.

Конкретные преимущества

Существуют ограничения для домов с печатью 3D . Для начала необходимо настроить строительные коды, чтобы они соответствовали им. С этой целью UL, одно из крупнейших сертификационных агентств Америки, , в сотрудничестве с Mighty Buildings разработало первый стандарт печати 3D .Руководящие принципы будут включены в новый Международный жилищный кодекс, который используется или был принят во всех американских штатах, кроме Висконсина. Хотя это долгожданный импульс для молодой отрасли, большинство правительств еще не разработали стандарты для конкретных стран. Также есть вопросы по качеству и отделке домов, построенных на принтерах 3D .

Тем не менее, направление движения выглядит многообещающим. В прошлом году в Германии были утверждены планы строительства многоквартирного дома с печатным рисунком 3D .В этой трехэтажной конструкции, собранной немецкой строительной компанией Peri из деталей, изготовленных с использованием принтеров, разработанных датской фирмой Cobod, будет пять квартир. Использование технологии также расширяется на Ближнем Востоке и в Азии. Правительство Дубая хочет, чтобы к 2030 году четверть новых зданий в стране было напечатано 3D , и выделяет район на окраине своей одноименной столицы для размещения 3D компаний и их складов. Саудовская Аравия хочет использовать 3D для печати , чтобы построить 1.5 млн домов в ближайшее десятилетие. А министерство жилищного строительства и городского хозяйства Индии хочет использовать технологию 3D для решения проблемы нехватки жилья в стране.

В случае успеха, печать 3D будет распространена за пределы жилищного строительства. Возможности также существуют в складских помещениях, офисах и других коммерческих зданиях. Помимо земных сооружений, NASA , американское космическое агентство, изучает возможность использования 3D-печати для строительства посадочных площадок, жилых помещений и дорог на Марсе и Луне.На этих двух небесных телах нет почвы, только раздробленная скала, называемая реголитом. Группа доктора Банерджи, которая работает с NASA , заявляет, что ее подход к печати 3D также хорошо работает с этим материалом. «В конечном итоге мы хотели бы иметь недвижимость на Марсе и Луне, но мы не сможем возить там бетон с собой», — говорит д-р Банерджи. «Нам придется работать с реголитом». ■

Ранняя версия этой статьи была опубликована в Интернете 18 августа 2021 года.

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «С фабрики»

Desktop Metal переопределяет деревообработку с помощью нового дерева 3D полиграфическая техника

Промышленный 3D-принтер OEM Desktop Metal запустил свою дочернюю компанию Forust, бренд, специализирующийся на 3D-печати функциональных деревянных деталей конечного использования с помощью струйной печати.

Процесс Forust работает за счет масштабирования побочных продуктов деревообрабатывающей и бумажной промышленности (опилки и лигнин). Смешивая эти побочные продукты со специальным композитом на основе биоэпоксидной смолы, компания может создавать экологически чистые материалы для 3D-печати, совместимые со струйной технологией связующего вещества Desktop Metal.

С запуском Desktop Metal предлагает архитекторам, дизайнерам и производителям новый путь к производству деревянных деталей по индивидуальному заказу, будь то домашний декор или роскошные архитектурные решения.Хотя поначалу это может показаться поздней первоапрельской шуткой, покупатели уже могут посетить страницу магазина Forust, чтобы заказать один из готовых, напечатанных на 3D-принтере предметов домашнего обихода компании. Первая партия продукции предлагается в эксклюзивной коллекции швейцарского промышленного дизайнера Ива Бехара.

Уильям МакДонаф, известный архитектор и лидер в области устойчивого развития, заявил: «Технология Forust позволяет нам брать то, что раньше было древесными отходами, и превращать их в изысканно красивые и полезные вещи.Мы уважаем целлюлозу и лигнин деревьев, превращая их в активы для нынешнего и будущих поколений. Позволяя миллионам деревьев оставаться в своих лесах, Forust запускает высокоразвитую технологию для круговой техносферы ».

Нарушая искусство обработки дерева

Forust был создан с целью переработки древесных отходов в пригодные для использования конечные продукты.Используя опилки и лигнин в качестве сырья для 3D-печати, компания может устойчиво массово производить изотропные высокопрочные деревянные детали в системе Desktop Metal’s Shop. В процессе печати слои специально обработанного сырья распределяются по камере сборки, после чего материал выборочно плавится с использованием нетоксичного биоразлагаемого связующего.

Эта технология позволяет даже создавать интегрированные структуры волокон, что означает, что готовые изделия неотличимы от обычных изделий из дерева.Детали, напечатанные на 3D-принтере Forust, при запуске поддерживают широкий спектр древесных волокон, включая палисандр, ясень, зебрано, черное дерево и красное дерево. Детали также поддерживают различные виды морилки, такие как натуральные, дуб, ясень и орех.

Эндрю Джеффри, генеральный директор Forust, добавляет: «Forust предлагает практически неограниченную гибкость проектирования. Мы можем воспроизвести в цифровом виде текстуры древесины и множество типов волокон, от экзотических структур волокон до древесины без зернистости. И поскольку они сделаны из смеси древесины и биорезолита, эти детали демонстрируют функциональность и жесткость на уровне обычной древесины.”

Доказательство циркулярной экономики

Forust разработан как комплексная услуга, что означает, что дизайнеры и производители могут отправлять свои собственные геометрические формы деталей для 3D-печати. Это может быть один прототип или долгосрочный крупномасштабный проект — Shop System позволяет все это. После того, как сборка будет завершена, заказчики также могут решить утилизировать свои детали и повторно использовать материал для следующего проекта.

«Мы хотим, чтобы дизайнеры могли легко исследовать сложные новые геометрические формы для самых разных продуктов и приложений с использованием устаревшего материала», — объясняет Джеффри. «По окончании срока службы изделия из дерева у клиентов будет два выбора: утилизировать его, и со временем он подвергнется биологическому разложению, как и любое деревянное изделие, или измельчить его и использовать в будущих деталях с помощью Forust. Наше видение — это настоящий круговой производственный процесс ».

Хотя Desktop Metal может быть первым, кто коммерциализирует эту технологию в большом масштабе, 3D-печать по дереву определенно появлялась в академической сфере и раньше. Ранее в этом году ученые из Массачусетского технологического института (MIT) разработали специальные выращенные в лаборатории клетки древесины, которые могут стать основой нового, более устойчивого биоматериала для 3D-печати. Хотя исследование все еще находится в зачаточном состоянии, команда считает, что в конечном итоге его можно будет использовать в качестве средства 3D-печати экологически чистой мебели.

В другом месте, в Университете Фрайбурга (UCF), исследователи ранее разработали свой собственный экологически чистый материал для 3D-печати на основе древесины. В частности, команда объединила лигнин с целлюлозными шариками, чтобы создать новый биосинтетический полимер.

Подпишитесь на информационный бюллетень 3D Printing Industry , чтобы получать последние новости в области аддитивного производства. Вы также можете оставаться на связи, подписавшись на нас в Twitter и поставив нам лайк на Facebook.

Ищете карьеру в аддитивном производстве? Посетите 3D-печать вакансий , чтобы узнать о вакансиях в отрасли.

На изображении представлены изделия из дерева, напечатанные на 3D-принтере компанией Forust. Фото через Forust.

3D-печать и моделирование индивидуальных имплантатов и хирургических шаблонов для приматов

Графический реферат

Ключевые слова: 3D-печать, Черепные имплантаты, электрофизиология, Primate

1.Введение

Электрофизиологи-приматы используют ряд имплантируемых устройств для доступа и записи данных из интересующих областей мозга. Для записи электродов у бодрствующих животных субъектам часто имплантируют записывающие камеры, которые защищают мозг от внешней среды между экспериментами (Evarts, 1966, Gardiner and Toth, 1999, Adams et al., 2011). Во время записи исследователи могут открыть камеру и вставить электроды прямо в мозг, измеряя активность нейронов на разных глубинах и в разных местах.Для хронических многоклеточных записей исследователи могут выбрать имплантацию электродных решеток, содержащих десятки участков записи, в мозг. Эти массивы соединяются с подставкой, закрепленной на черепе, с помощью транскраниальных проводов (Campbell et al., 1991, Nordhausen et al., 1994, Nicolelis et al., 2003). Интерфейс, состоящий либо из точек электрического контакта, либо из беспроводного приемопередатчика, установлен на пьедестале, обеспечивая подключение к внешнему оборудованию. Кроме того, при выполнении записи острых ощущений или когда задача требует пространственной стабилизации изображений на сетчатке, фиксация головы обычно достигается с помощью цельной, закрепляемой винтами стойки для головы (Adams et al., 2007) или аналогичное устройство с несколькими точками контакта на черепе (Пигарев и др., 1997, Исода и др., 2005).

Для каждого из этих случаев имплантат должен оставаться прочно прикрепленным к черепу в течение длительного периода времени. Плохо подогнанные имплантаты могут не срастаться с костью, расшатываться или отламываться, что влияет на благополучие животных и мешает экспериментам (Johnston et al., 2016). Здесь мы описываем, как можно использовать новые методы 3D-печати для обеспечения бесшовной посадки кости и имплантата, а также для облегчения хирургической имплантации.Мы также описываем использование 3D-моделирования во время предоперационного планирования для повышения точности введения электродов.

Техника 3D-печати относится к процессу использования машины для аддитивной сборки 3D-объекта слой за слоем, используя цифровой дизайн в качестве чертежа. Такой подход позволяет создавать настраиваемые дизайны, которые можно печатать небольшими партиями по доступным ценам из-за относительно низких затрат на настройку и минимальных потерь материала. Производители могут выбирать из растущего ассортимента материалов, включая пластмассы, металлы, керамику и дерево, с различной степенью твердости, прочности, долговечности и эластичности.Таким образом, эти методы становятся все более популярными для использования в лаборатории. Недавние применения 3D-печати в нейробиологии включают 3D-печатные модели типов нейронных клеток для визуализации их морфологии (McDougal and Shepherd, 2015), а также 3D-печатное лабораторное оборудование, такое как микроманипуляторы (Patel et al., 2014, Baden et al., 2015) и кортикальные записывающие платформы, черепные окна и перфузионные камеры для экспериментов на грызунах (Tek et al., 2008). Чтобы способствовать обмену научными 3D-моделями, Национальные институты здравоохранения недавно запустили NIH 3D Print Exchange — бесплатный и общедоступный онлайн-репозиторий для 3D-печатных моделей в области биологии и медицины (https: // 3dprint.nih.gov/). Здесь мы фокусируемся на использовании 3D-печати для создания индивидуальных черепных имплантатов в нейрофизиологических экспериментах на приматах (NHP).

Обычно имплантаты, используемые в нейробиологии NHP, такие как подголовники и камеры, представляют собой универсальные решения, которые можно приобрести у таких компаний, как Crist Instrument Co., Inc (за несколько сотен евро). Эти стандартные имплантаты требуют трудоемкой ручной настройки во время каждой хирургической процедуры (Adams et al., 2007, Adams et al., 2011, Mulliken et al., 2015), например сгибание ножек имплантата плоскогубцами или постукивание по ним молотком. Однако, даже если ножки податливы, часть основания иногда бывает плоской и жесткой (как видно, например, на A или на головной стойке, разработанной Адамсом и др., 2007), что делает невозможным получение изогнутой формы. поверхность. Даже после сгибания ног посадка между имплантатом и черепом часто бывает несовершенной, что затрудняет интеграцию имплантата с костью. Кроме того, пространство между металлом и костью увеличивает риск нежелательного роста грануляционной ткани в зазоре между черепом и имплантатом, что может способствовать инфекции и воспалению, деградации костей и кожи, нестабильности имплантата и даже поломке имплантата ( Галашан и др., 2011, Johnston et al., 2016, Raphel et al., 2016).

A) Универсальные подголовники, такие как изображенная здесь, имеют ножки, которые можно сгибать в нужную форму. Однако металл в середине основания (обозначен стрелкой) относительно толстый, и его нельзя согнуть. Б) Устройство CerePort ™ состоит из одного или нескольких наборов электродов, которые имплантируются в мозг и подключаются к прикрепленному к черепу интерфейсу пьедестала через жгут проводов (вверху). Плата электронного интерфейса соединяет пьедестал с оборудованием для сбора данных и / или стимуляции во время каждого сеанса записи (внизу).Основание пьедестала плоское, оставляя зазор между основанием и черепом (обозначено стрелкой) или требующее истончения кости.

Если исследование включает в себя эксперименты с функциональной визуализацией, то металлические имплантаты, как правило, не могут использоваться, поскольку они мешают магнитному полю в сканере и создают артефакт в сигнале. Вместо этого имплантаты обычно изготавливаются из рентгенопрозрачного материала, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK) или полиэфиримид (PEI). Поскольку технология 3D-печати с использованием этих MR-совместимых материалов все еще находится на ранней стадии разработки, мы сосредоточимся на 3D-печати из титана.Однако вполне вероятно, что в будущем станет возможна 3D-печать MR-совместимыми материалами.

Для электрофизиологии, которая включает хроническую запись с десятков нейронов, CerePort ™ от Blackrock Microsystems (Солт-Лейк-Сити, Юта) является популярным инструментом во многих лабораториях неврологии приматов. Его одобренный FDA аналог с маркировкой CE, NeuroPort ™, используется в клинических испытаниях на людях (Collinger et al., 2013, Flesher et al., 2016). Подставка CerePort ™ обеспечивает чрескожный интерфейс между имплантированными многоэлектродными матрицами и внешним оборудованием для сбора данных (B) через плату электронного интерфейса (EIB), которая привинчивается к верхней половине подставки во время каждого экспериментального сеанса.В основании пьедестала есть восемь отверстий для винтов, позволяющих установить его на череп. Однако диаметр основания пьедестала невелик, и в нем отсутствуют ножки, поэтому винты сосредоточены на ограниченной площади поверхности. Кроме того, основание пьедестала плоское и не плотно прилегает к черепу, что может способствовать проблемам с инфекцией и отслоением имплантата. Одно из возможных решений — улучшить прикрепление к кости с помощью стоматологического цемента. Однако у некоторых животных ткань между костью и цементом со временем накапливается, создавая таким образом пространство, уязвимое для микробной инфекции.Другое возможное решение — сбрить кость, чтобы получить ровную поверхность. Однако нелегко удалить достаточное количество кости, чтобы плоская поверхность имплантата хорошо прилегала, и, кроме того, этот метод уменьшает толщину черепа под имплантатом, что может создать слабое место. Поэтому мы стремились создать имплантаты, которые лучше подходят к черепу, чем эти готовые коммерческие решения.

В предыдущих исследованиях индивидуальные имплантаты были разработаны с использованием анатомических сканирований черепа отдельного животного, что обеспечивало хорошее прилегание кости к имплантату, сокращало продолжительность операции и уменьшало вероятность роста грануляционной ткани и инфекции (McAndrew et al. ., 2012, Lanz et al., 2013). Эти имплантаты обычно изготавливались с использованием станков с числовым программным управлением (ЧПУ), которые используют традиционные методы фрезерования для «лепки» объектов из цельного блока исходного материала под управлением программ автоматизированного проектирования (САПР). Несколько исследовательских лабораторий осуществляют процесс проектирования и производства с использованием программного обеспечения САПР и станков с ЧПУ либо собственными силами (Galashan et al., 2011, Lanz et al., 2013, Mulliken et al., 2015), либо передают на аутсорсинг в мастерскую с ЧПУ ( Адамс и др., 2007) или компании, специализирующейся на таких имплантатах (Johnston et al., 2016). Некоторые компании предлагают услуги фрезерования с ЧПУ для создания индивидуальных решений для небольшого диапазона имплантируемых продуктов (например, Crist Instruments Co., Inc, Хагерстаун, Мэриленд; Gray Matter Research, Bozeman, MT; Rogue Research Inc., Монреаль, Канада).

Недостатком этих методов является то, что они дороги по нескольким причинам: станки с ЧПУ все еще полагаются на традиционные методы, такие как сверление и распиловка, для производства конечного продукта.Таким образом, использование фрезерования с ЧПУ требует значительного опыта и обучения с пониманием ограничений, накладываемых ограничениями траектории инструмента фрезерных устройств. Например, чтобы уменьшить вес имплантата, можно создать внутренние полости с помощью фрезерования с ЧПУ. Однако при этом остаются места для попадания жидкости или тканей, повышая риск заражения. При создании объекта со сложной и изогнутой геометрией, такого как черепной имплантат, обычно требуется «5-осевой» фрезерный станок, который способен одновременно перемещать инструмент по пяти различным осям.Такие машины дорогие (текущая рыночная цена составляет 0,5–1 млн евро). Из-за высоких затрат на установку для каждой конструкции производители часто вынуждены производить эти имплантаты оптом, чтобы гарантировать, что производство остается рентабельным. Соответственно, одноразовые творения обычно дороже. Например, за индивидуализированную записывающую камеру компании, с которыми мы связались, взимали от 1500 до 3000 евро.

Использование методов 3D-печати дает несколько преимуществ по сравнению с методами производства на основе ЧПУ: (1) Сложные конструкции, такие как внутренние полости, Текстурированные поверхности и сложные формы можно легко создать с помощью 3D-печати, что позволяет создавать инновационные и легкие конструкции.Создание полностью закрытых внутренних полостей внутри единого твердого объекта также позволяет избежать проблем с проникновением жидкости и тканей и инфекциями. (2) Используется меньше материала, что снижает потери и стоимость. (3) Затраты и время на установку относительно невелики, а производственные затраты и время сопоставимы с затратами на фрезерование с ЧПУ. Следовательно, как прототипы, так и окончательные версии имплантатов могут быть изготовлены быстро, в течение нескольких часов или недель. (4) Если потребуются модификации, относительно легко пройти несколько итераций проекта, чтобы достичь идеального решения.

По этим причинам 3D-печать становится все более популярной в клинической сфере для создания индивидуальных медицинских имплантатов, особенно в ортопедии, черепно-челюстно-лицевой хирургии и хирургии кохлеарных имплантатов, обеспечивая индивидуальное соответствие анатомии отдельных пациентов (Rengier et al. al., 2010, Parthasarathy, 2014, Chae et al., 2015, Mok et al., 2016). Он также используется в качестве образовательного и обучающего инструмента, предоставляя медицинскому персоналу и пациентам интуитивное понимание анатомии человека и позволяя хирургам практиковать свою технику на биологически реалистичных тканях, напечатанных на 3D-принтере, во время имитационных операций (Rose et al., 2015a, Rose et al., 2015b). 3D-печать также стала катализатором перспективных разработок в области тканевой инженерии, что привело к созданию биомиметических 3D-печатных каркасов для регенерации тканей и органов (Murphy and Atala, 2014, Chia, 2015, Wu and Hsu, 2015). В медицинских и коммерческих условиях клиницисты и инженеры обычно используют специализированные программные пакеты, такие как Mimics Innovation Suite (Materialise, Лёвен, Бельгия), для проектирования своих протезных имплантатов. Однако стоимость подписки часто бывает высокой и составляет тысячи евро в год.

Преимущества внедрения технологий трехмерного моделирования в нейробиологию приматов ранее подчеркивались McAndrew et al. (2012) и Lanz et al. (2013). МакЭндрю и др. разработали свои индивидуальные записывающие камеры с использованием дорогостоящих пакетов программного обеспечения (Mimics и SolidWorks), и в обоих исследованиях камеры затем были изготовлены из радиопрозрачного материала PEEK с использованием методов фрезерования с ЧПУ. Высокая стоимость использования программного обеспечения, а также незнание методов обработки с ЧПУ могут стать препятствием для доступа к этим новым технологиям и их широкого внедрения исследовательским сообществом.

Здесь мы описываем, как исследователи могут использовать бесплатное программное обеспечение с открытым исходным кодом для разработки индивидуальных имплантатов, а также использовать последние достижения в области 3D-печати для производства доступных по форме металлических имплантатов, устраняя при этом необходимость фрезерования с ЧПУ (Avila et al. др., 2012). Мы опишем этапы проектирования подголовников, камер и опорных пластин для опоры, которые имеют плотно прилегающие ножки и основания, что делает имплантацию быстрой и легкой, при этом практически не оставляя места между костью и имплантатом.Мы также проиллюстрируем отображение сосудистой сети головного мозга в интересующих областях с целью минимизации повреждений, вызванных введением электродов. Наконец, мы покажем, как неинвазивные методы анатомического картирования могут быть использованы для планирования точного расположения краниотомий и мест введения электродов до операции, и опишем, как построить направляющие для отметки желаемых положений имплантатов и краниотомий во время операции.

2. Материалы и методы

Мы производили индивидуальные имплантаты для самцов макак-резусов в возрасте от 4 до 7 и 6 лет.Вес от 5 до 11,0 кг на момент имплантации. Семи из этих животных были имплантированы подголовники, а двое из семи также получили записывающую камеру. Одному животному мы имплантировали фиксирующую пластину, которая служила основой для двух разъемов CerePort ™ (Blackrock Microsystems).

В следующих разделах мы сначала опишем наши методы создания трехмерных моделей мозга и черепа, которые имеют решающее значение для дизайна имплантата и хирургического планирования. Далее мы опишем, как мы создали индивидуальные имплантаты (подголовники, камеры и опорные пластины для опоры), а также направляющие для краниотомии, которые использовались в качестве вспомогательных средств во время операции.

Мы сделали анатомическое сканирование с помощью компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). КТ-сканирование выполняется относительно быстро и легко, и дает отличные изображения твердых тканей, таких как кость, поэтому они использовались для создания трехмерных моделей черепа. Однако качество изображения компьютерной томографии недостаточно для четкой визуализации и сегментации мягких тканей, таких как мозг. Поэтому мы использовали структурную МРТ для создания трехмерных моделей мозга. Можно, но не обязательно, поместить животное в стереотаксическую рамку для этих сканирований.Здесь мы получили КТ и МРТ без использования стереотаксической рамки.

2.1. Создание 3D-модели черепа

КТ снимки были получены на сканере Philips Brilliance с полем зрения ± 250 мм, размером матрицы 512, толщиной среза 0,9 мм, шагом 0,45 мм, трубка 120 кВ и ток трубки 285 мАс, время вращения 0,75 с. Для индукции анестезии вводили медетомидин (0,08 мл / кг в / м) и кетамин (0,07 мл / кг в / м). Если процедура длилась более 30 минут, вторая доза кетамина (0.07 мл / кг). При возвращении обезьяны в ее домашнюю клетку мы вводили антагонист атипамезол (0,08 мл / кг внутримышечно).

Мы импортировали изображения «цифровых изображений и коммуникаций в медицине» (DICOM) из компьютерной томографии в InVesalius 3.0 (Windows) или OsiriX Lite 7.5.1 (Mac). Используя это бесплатное программное обеспечение, мы выполнили автоматическое определение порога и сегментацию для создания 3D-модели черепа (). Модель была экспортирована в формат STereoLithography (STL), который описывает геометрию поверхности трехмерного объекта с использованием триангулированной декартовой системы координат и совместим со многими пакетами программного обеспечения для трехмерного моделирования.STL является отраслевым стандартом 3D-печати, и он по сути не определяет единицы измерения модели (например, мм, см, дюймы). Наше моделирование всегда выполнялось с использованием единиц миллиметра, и мы не сталкивались с какими-либо трудностями при экспорте файлов STL или обмене ими между различными программами. Более подробное описание того, как это было выполнено, см. В документе «Как создать 3D-сетку STL из DICOM» в разделе «Дополнительная информация».

После проведения компьютерной томографии мы использовали программу InVesalius для создания трехмерной модели черепа из файлов DICOM.

2.2. Создание 3D-модели мозга

Чтобы помочь в планировании и конструировании наших индивидуальных имплантатов, мы провели анатомическое сканирование МРТ и сгенерировали 3D-модели мозга для определения интересующих областей. Этот неинвазивный подход позволил нам оптимизировать расположение каждого имплантата и адаптировать его к анатомии отдельных животных. Для животных, которым установили несколько имплантатов, таких как подголовник и записывающая камера или подголовник и основание для крепления на пьедестале, мы проверили, что имплантаты были расположены достаточно далеко друг от друга.По возможности, мы проводили МРТ-сканирование перед имплантацией животным титановой стойки для головы, чтобы на МРТ-изображениях не было артефактов, индуцированных металлом.

МРТ сканировали на сканере Philips Ingenia CX 3T с последовательностью импульсов градиентного эхо-сигнала 3D T1-TFE, параллельной визуализацией SAG SENSE, размером матрицы 512, толщиной среза 0,5 мм, шагом 0,5 мм, последовательное получение срезов, TE = 7,3 мс, TR = 15,9 мс и угол поворота 8 ° . Протокол анестезии был идентичен протоколу компьютерной томографии, как описано в разделе 2.1.

Сегментация мозга может выполняться одним из двух способов: в основном автоматически в операционной системе Linux или полуавтоматически на платформе Windows или Mac. Для автоматической сегментации всего мозга (Linux) мы преобразовали изображения DICOM, созданные на основе МРТ-сканирований, в сжатые файлы NIfTI с помощью инструмента dcm2nii или dcm2niix (Li et al., 2016, https: //www.nitrc. org / projects / dcm2nii /) и обработали их в FSL 5.0.9 (FMRIB, Оксфорд, Великобритания, https: // fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/FSL). Инструмент Brain Extraction tool (BET) v2.1 использовался для удаления черепа с целью создания изолированного объема мозга. Затем был использован инструмент автоматической сегментации FAST, чтобы различать спинномозговую жидкость, белое и серое вещество, создавая выходные объемы для этих трех типов тканей. Затем сегментированный объем был импортирован в 3D Slicer 4.4.0, где типы тканей были преобразованы в 3D-модели с помощью функции Model Maker и экспортированы в формат STL ().Более подробное описание того, как это было выполнено, можно найти в документе «Автоматическая сегментация мозга» в разделе «Дополнительная информация».

Мы выполнили автоматическое извлечение и сегментацию тканей всего мозга из данных МРТ с помощью программного обеспечения FSL (A) и преобразовали сегментированные объемы в поверхности с помощью 3D Slicer (B).

Для сегментации отдельных областей мозга (например, верхнего холмика и зрительной коры) или для сегментации всего мозга в операционных системах, отличных от Linux, мы импортировали изображения DICOM из МРТ-изображений непосредственно в 3D Slicer.Мы определили интересующие области с помощью стереотаксического атласа (The Resus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates, Paxinos et al., 1999), и мы выполнили полуавтоматическую сегментацию мозга или области интереса среза за срезом, используя Модуль редактора (). Более подробное описание того, как это было выполнено, см. В документе «Руководство по слайсеру» в разделе «Дополнительная информация». Затем мы сгенерировали модели ткани мозга и экспортировали их в виде файлов STL.

Мы выполнили сегментацию мозга вручную (зеленые области) по данным МРТ с использованием программного обеспечения 3D Slicer (цвета видны в онлайн-версии статьи).

2.3. Создание трехмерной модели кровеносных сосудов

Мозг снабжен обширной сетью сосудов, при этом некоторые из крупных сосудов расположены на поверхности мозга, а корковые артерии и вены проходят перпендикулярно поверхности (Weber et al., 2008 г.). Для исследований, в которых большое количество электродов вводят в кору (например, с использованием массивов Юта от Blackrock Microsystems), мы предположили, что было бы полезно неинвазивным способом получить анатомические модели сосудистой сети мозга до хирургического введения массивы.Это поможет спланировать расположение массивов на поверхности коры и избежать повреждения крупных кровеносных сосудов. Мы проверили возможность этого подхода на одном животном.

У этого животного МР-ангиография с контрастным усилением (CE-MRA) была проведена во время сеанса МРТ для определения анатомического расположения кровеносных сосудов. Это было выполнено в сканере Philips Ingenia CX 3T с последовательностью импульсов градиентного эхо-сигнала T1-FFE, ширина окна = 795 HU, уровень окна = 408 HU, размер матрицы 336, толщина среза 1 мм, шаг 0.5 мм, ориентация получения в корональной части, последовательное получение срезов, TE = 1,9 мс, TR = 4,0 мс и угол поворота 18 ° . Животное было анестезировано (как описано в разделе 2.1) и зафиксировано на голове в стереотаксической рамке для обеспечения стабильности изображения. Измеритель гадолиния (0,15 мл / кг), также известный как контрастный краситель, вводился внутривенно с последующей инфузией 0,9% NaCl для вымывания контрастного красителя. Были получены две последовательности: одна до инфузии гадолиния, а другая во время инфузии гадолиния.Используя программное обеспечение сканера МРТ, последовательность, полученная в первой серии, была вычтена из последовательности, полученной во второй, и была создана проекция максимальной интенсивности (MIP) данных вычитания, что позволило визуализировать кровеносные сосуды размером ≥0,4 мм в диаметр.

Мы импортировали изображения вычитания MRA (в формате DICOM) в InVesalius и использовали программное обеспечение для сегментации изображений с помощью автоматической установки пороговых значений. Мы создали 3D-модель сосудистой сети, которую затем экспортировали в формат STL.

2.4. Выравнивание моделей

Мы импортировали STL-модели черепа, мозговой ткани и кровеносных сосудов в MeshLab 1.3.4 beta и удалили отдельные фрагменты с помощью инструмента очистки и ремонта «Удалите отдельные части по диаметру». Лапласиан Функция сглаживания использовалась для сглаживания поверхностей моделей.

Мы экспортировали очищенные и сглаженные модели как файлы STL и импортировали их в 3D Slicer. Модели черепа, головного мозга и кровеносных сосудов были выровнены вручную с помощью модуля Transformation в 3D Slicer (,).Затем мы экспортировали преобразованные модели в файлы STL для дальнейшей обработки.

Мы провели МРА у одного животного и визуализировали кровеносные сосуды с помощью программного обеспечения InVesalius (слева). Мы создали 3D-модель кровеносных сосудов и выровняли ее с 3D-моделями мозга и черепа с помощью 3D Slicer.

Различные области зрительной коры, такие как V1 и V2 (фиолетовый), V3 и V4 (желтый), и другие области (зеленый) были грубо сегментированы и выровнены с черепом с помощью 3D Slicer (цвета видны в онлайн-версии бумаги).Мы использовали анатомические ориентиры, такие как затылочный гребень (обозначен стрелкой), чтобы идентифицировать места краниотомии и имплантатов.

2,5. Трехмерное моделирование имплантатов

Программное обеспечение, используемое для трехмерного моделирования и проектирования, можно в общих чертах разделить на две группы: некоторые оптимизированы для проектирования нисходящих, точно спроектированных объектов (например, инструментов и механических деталей), а другие лучше подходят для создания и обработки сложных, естественно выглядящих объектов (например,грамм. животные и растения). Некоторые из них способны обрабатывать оба типа данных.

Для собственного создания большинства наших индивидуальных объектов (головных столбов, направляющих для трепанации черепа и опорных оснований) мы использовали комбинацию программного обеспечения Autodesk Inventor Professional 2015 и Blender 2.76. Blender — это бесплатное программное обеспечение для трехмерного проектирования и проектирования с открытым исходным кодом, которое подходит для моделирования механически созданных деталей, но при этом достаточно мощное и гибкое, чтобы обрабатывать сложные биологические данные.Следовательно, он имел то преимущество, что он мог выполнять все необходимые нам функции моделирования, будучи при этом свободно доступным. Для моделирования деталей с простой геометрией мы также использовали Inventor, проприетарное программное обеспечение, популярное для трехмерного механического проектирования. Однако мы обнаружили, что он менее подходит для работы с биологическими данными, поскольку попытки импортировать модель сложной структуры, такой как череп, могут привести к сбою программного обеспечения при работе на компьютере HP Intel® Core ™ i7-4771 с 32 ГБ доступной оперативной памяти.Другие программные пакеты, такие как SolidWorks (Dassault Systemes) и 3-matic (Materialize), являются проприетарным программным обеспечением, которое выполняет те же задачи, что и Blender, а наши записывающие камеры были разработаны внешним подрядчиком с использованием SolidWorks. Отметим, однако, что эти модели также можно было сделать бесплатно с помощью Blender. Для получения более подробных инструкций по использованию Blender для моделирования индивидуальных объектов, пожалуйста, обратитесь к документу под названием «Blender manual» в разделе «Дополнительная информация».

Для каждого из 3D-спроектированных объектов мы определили ключевые анатомические ориентиры, такие как расположение целевых областей мозга и затылочного гребня (обозначено стрелкой). Мы использовали их для планирования точного положения и конструкции имплантатов, оптимизации места краниотомии и обеспечения того, чтобы в случае животных с несколькими имплантатами (например, головной штифт и записывающая камера) имплантаты были разнесены друг от друга. В некоторых случаях, особенно при планировании места краниотомии для электрофизиологии, интересующая область определялась в первую очередь по стереотаксическим координатам, а не по анатомическим ориентирам.Например, при проектировании записывающих камер мы использовали стереотаксические координаты для определения точного местоположения камеры на черепе (более подробная информация представлена ​​в разделе 2.7). Некоторые элементы нельзя было напечатать на 3D-принтере (например, резьба винтов, узкие штифты, канавки и небольшие отверстия), и, следовательно, требовалась ручная обработка. Наши инженеры-механики посоветовали нам разработать эти элементы. Например, мы заказали метчики и плашки для создания резьбовых соединений желаемых размеров на головных стойках и основании анкерного крепления пьедестала, а также позаботились о том, чтобы дизайн отпечатков позволял надежно зажимать их во время добавления винтовой резьбы.

2.6. Моделирование подголовников для фиксации головы

Конструкция верхней части подголовников была стандартизирована для всех животных, чтобы обеспечить совместимость с лабораторным оборудованием. Мы создали эту деталь в Inventor, а затем импортировали ее в Blender в формате STL. Конструкция требовала винтовой резьбы в верхней части подголовника, которая была слишком тонкой для печати на 3D-принтере. Таким образом, мы напечатали этот элемент как сплошной стержень, а резьба была добавлена ​​вручную после 3D-печати.Мы смоделировали основание и ноги подголовника с помощью Blender и адаптировали их к кривизне черепа животного (). При планировании расположения наших индивидуальных подголовников мы позаботились о том, чтобы передние ножки подголовников располагались близко, но не менее чем на ∼2 мм от самой передней части надглазничного гребня (также известной как надбровная кость). Для более подробного описания того, как это было сделано, обратитесь к документу под названием «Как создать специально разработанный заголовок» и к файлу шаблона «template_head_post.blend »в дополнительной информации.

Головные стойки с настраиваемыми основаниями и ножками были смоделированы с использованием комбинации программ Inventor и Blender. Передние части подголовников располагались на расстоянии нескольких миллиметров от надглазничного гребня (указано стрелкой).

2.7. Моделирование записывающих камер

Для наших экспериментов с верхним колликулусом (SC) мы спланировали положение записывающих камер, используя наружные слуховые проходы в качестве стереотаксических ориентиров для определения местоположения AP0, и определили горизонтальную плоскость, которая проходила через межуральную линию и подглазничный гребень.Мы использовали стереотаксический атлас (Paxinos et al., 1999), чтобы определить местонахождение SC, и сегментировали структуру с помощью 3D Slicer. Мы создали три перпендикулярных модельных плоскости и расположили их так, чтобы одна плоскость проходила через межуральную линию и подглазничный гребень, другая проходила через срединно-сагиттальную плоскость, а последняя проходила через SC (). Файлы STL, содержащие модели черепа, SC и самолетов, были отправлены внешнему подрядчику, который спроектировал камеру с помощью программного обеспечения SolidWorks. Чтобы гарантировать, что SC будет доступен для электродов, которые вводятся через камеру, камера была ориентирована в соответствии с траекторией электродов и центрирована в точке пересечения между черепом и двумя плоскостями, проходящими через SC.Ножки и основание камеры соответствовали кривизне черепа.

Для получения превосходных изображений колликулуса направляющие плоскости были построены с использованием программного обеспечения 3D Slicer. Цилиндр ограничивал объем, доступный для глубинных электродов, тем самым определяя положение нашей камеры (розовый; цвета видны в онлайн-версии статьи).

2,8. Моделирование опорных оснований для крепления

На одной из обезьян мы стремились хронически имплантировать массивы Юта в правое полушарие зрительной коры и два стандартных пьедестала CerePort ™ (Blackrock Microsystems) в череп над левым полушарием.Это потребовало тщательного планирования расположения электродных решеток на зрительной коре и расчета расположения и размера соответствующей трепанации черепа. Сначала мы провели сегментацию всего мозга, как описано выше, и определили расположение V1 и V4, используя анатомические ориентиры, такие как полулунная борозда. Затем мы определили границы трепанации черепа, которая будет сделана во время операции. Это позволило нам выбрать точное расположение наших имплантатов на черепе, гарантируя, что они не перекрываются с краниотомией или со стойкой головы ().

Виртуальная трепанация черепа была сделана в черепе над правым полушарием, показывая визуальную кору головного мозга (желтый; цвета видны в онлайн-версии статьи). Основание для фиксации постамента (пурпурное) было создано в качестве опоры для двух постаментов CerePort ™ (Blackrock Microsystems, зеленый и оранжевый) и расположено так, чтобы избежать трепанации черепа и подголовника (серый). Обратите внимание, что у этого животного компьютерная томография черепа была получена после имплантации (нестандартной) подголовника, поэтому череп и подголовник объединены в одну модель, а вокруг основания видны некоторые артефакты, вызванные металлом. головного столба.

Пьедесталы CerePort ™ имеют плоское основание, которое не адаптировано к кривизне черепа животного (B), и иногда они отсоединяются от кости. Поэтому мы разработали индивидуальную опорную базу для опоры, которая служила интерфейсом для двух опор (), обеспечивая при этом плотное прилегание к черепу. Верхние поверхности анкерного основания опоры были спроектированы в Inventor и имели отверстия для винтов для последующего крепления двух опор CerePort ™. Сами винтовые резьбы были слишком тонкими для 3D-печати.Поэтому мы добавили отверстия в качестве маркеров, к которым позже добавили резьбу. Модели пьедесталов CerePort ™ и их USB-интерфейс были также созданы с помощью Inventor, и все модели были импортированы в Blender. Модели CerePort ™ располагали над черепом, близко, но не перекрывая друг друга, чтобы минимизировать площадь основания. Настроенная основа и ножки анкерного основания были созданы с помощью Blender, и две опоры имели общую соединительную ножку. Более подробное описание того, как это было выполнено, можно найти в документах с заголовками «Как смоделировать опорную плиту Cereport» и «Как сделать кабелепровод из пучка проводов в опоре» и в файле шаблона «template_pedestal_anchorage_base».blend »в дополнительной информации.

2.9. Моделирование направляющих для краниотомии в качестве хирургических средств

Имплантация записывающих камер и электродных матриц требует тщательного планирования краниотомии, что определяет доступность интересующих областей мозга. В рамках предоперационного планирования мы напечатали хирургические руководства, которые помогут нам во время операции. Эти животные ранее получили имплантат подголовника для фиксации головы, который мы использовали в качестве ориентира. Направляющая для трепанации черепа состояла из « зажима » с вырезом, который соответствовал форме подголовника (позволяя фиксатор фиксировать на подголовнике во время операции с замком и ключом), направляющей для резки, которая очерчивала очертания границы краниотомии и стержень, соединяющий захват с направляющей для резки ().Для более подробного описания того, как это было выполнено, обратитесь к документу под названием «Как создать руководство по трепанации черепа для имплантации камеры» и файлу шаблона «template_chamber_craniotomy_guide.blend» в разделе «Дополнительная информация».

Направляющие для краниотомии (красные) были разработаны для использования во время хирургической имплантации камер (слева) и наборов электродов (справа), что позволяет проводить трепанацию в желаемых местах черепа (цвета видны в онлайн-версии бумага).Каждый шаблон для краниотомии состоял из зажима, который можно было прикрепить к головной стойке (синий), и режущего шаблона, который отмечал границу краниотомии.

2.10. Визуализация моделей

Все модели экспортированы в формат STL. Для упрощения визуализации и совместного использования файлы 3D PDF создавались в многоэтапном процессе, для которого требовалось сочетание программных инструментов. Сначала каждая из моделей, связанных с отдельным животным, например череп, мозг и имплант (ы), была импортирована в MeshLab в формате STL и экспортирована как файлы OBJ.Затем файлы OBJ были импортированы в новый проект в DAZ Studio 4.7 (Win и Mac, https://www.daz3d.com/daz_studio), и проект был сохранен как один файл U3D, содержащий все модели. Мы загрузили и изменили сценарий LaTeX (Win, Mac и Linux), U3D2PDF (http://www.wiki.david-3d.com/making_a_3d_pdf) и сгенерировали интерактивный рендеринг PDF из файла U3D. Файл 3D PDF можно было легко разделить между соавторами и открыть в Adobe Acrobat Reader, что дает зрителям возможность вращать и масштабировать трехмерный вид проекта.Более подробное описание того, как это было выполнено, можно найти в документе под названием «Как создать 3D PDF» и образце кода LaTeX «sample_3D_PDF_tex_code» в разделе «Дополнительная информация».

2.11. 3D-печать

Мы определили компании, занимающиеся 3D-печатью в нашем регионе, с помощью онлайн-поисковой платформы 3dhubs.com, которая позволила нам выбрать полиграфические компании на основе материала для печати, модели машины, разрешения печати, географического положения, цены и клиента. обзоры.Мы проконсультировались с различными компаниями, занимающимися 3D-печатью, чтобы убедиться, что наши проекты могут быть напечатаны с точной детализацией и что их разрешение печати будет адекватным для поставленной задачи. отображает среднюю стоимость каждого отпечатка.

Таблица 1

Средняя стоимость каждого типа печати с разбивкой по материалу, объекту и версии (P: прототип; F: конечный объект; R: анатомическая справка). Для быстрого прототипирования отпечатки делались из PLA-пластика или смолы. Направляющие для трепанации черепа, которые использовались во время операции, были напечатаны из прозрачной смолы, в то время как окончательные версии имплантатов, такие как подголовники, камеры и основание для анкеровки пьедестала, были напечатаны из титана Grade 1.Цены включают стоимость постпродакшна, выполненного в компании-производителе 3D, но не включают постпродакшн, выполненный в нашей мастерской. Они также исключают стоимость добавления биосовместимого покрытия к основе (описанного в разделе «Остео-совместимое покрытие»).

Иногда наши принтеры выявляли мелкие ошибки в наших моделях, которые препятствовали распечатке непреднамеренных отверстий, например не многообразные ребра. Мы выполнили восстановление и очистку сетки с помощью программного обеспечения Meshmixer 3.2 (Win и Mac, http://meshmixer.com). Meshmixer (Autodesk, Inc.) — популярное бесплатное программное обеспечение с инструментом «Inspector», который позволяет пользователю анализировать модель на предмет ошибок или неточностей и быстро их исправлять.Программное обеспечение создало решения для заполнения небольших дыр и удаления нежелательных участков — автоматизированный подход, который избавил нас от значительных затрат времени и усилий, которые обычно сопровождают ручной ремонт.

Для дешевого и грубого быстрого прототипирования таких объектов, как череп, отпечатки были сделаны из акрилнитрилбутадиенстирола (ABS) или полимолочной кислоты (PLA) с помощью процесса, известного как моделирование методом наплавленного осаждения (FDM).

Для быстрого прототипирования таких объектов, как головные столбы, камеры, основания пьедесталов и пьедесталы, нам нужны были высококачественные отпечатки, которые напоминали бы конечный продукт из титана, с сохранением мелких деталей.Точно так же наши шаблоны для трепанации черепа должны быть точной формы, но не должны быть изготовлены из прочного или дорогого имплантируемого материала, такого как металл. Для этих целей оттиски из смолы были сделаны с использованием стереолитографии (SLA) на 3D-принтере Form 1+ (Form Labs, Somerville, MA), обеспечивающем разрешение 25 микрон по вертикали. Кроме того, из смолы были сделаны отпечатки сегментированной кортикальной ткани, которые использовались в качестве анатомических эталонов.

Окончательные имплантаты были напечатаны промышленной компанией 3D-печати из титана Grade 1 с использованием процесса, известного как прямая металлическая печать (DMP).Размеры напечатанных деталей имели точность ± 50 мкм, что вполне соответствовало нашим целям.

Для более подробного описания того, как это было выполнено, обратитесь к документу под названием «Как напечатать объект на 3D-принтере» в разделе «Дополнительная информация».

2.12. Постобработка

После печати мы провели дальнейшую постпроизводственную обработку. Мы удалили опорные конструкции со всех объектов. На головные стойки добавили наружную резьбу. Одна из наших подголовников имела незначительный дефект, из-за которого две ноги были согнуты под странным углом.Мы использовали плоскогубцы, чтобы придать им правильную форму.

Для камер добавлены выступы и штифты. Недостатком 3D-печати является то, что разрешение печатаемых объектов (∼25 мкм для смолы, ∼50 мкм для титана и ∼200 мкм для пластика PLA) обычно хуже, чем разрешение, достигаемое с помощью обработки с ЧПУ (∼2 мкм). . В результате качество поверхности объектов, напечатанных на 3D-принтере, хуже, чем у объектов, изготовленных на станках с ЧПУ. Мы обнаружили, что это не повлияло на общее качество и функциональность наших печатных объектов, за исключением внутренней поверхности наших камер, которую нужно было сгладить, чтобы облегчить очистку и снизить риск заражения.Следовательно, внутренняя стенка камер была электрополирована до шероховатости Ra <0,05 мкм (что приводило к небольшому утонению материала).

Для основания анкерного крепления пьедестала мы добавили внутреннюю резьбу в отверстия на верхней поверхности. Обратите внимание, что эти отверстия были ориентированы не перпендикулярно поверхности, а под углом 17,5 градусов, чтобы соответствовать углу отверстий для винтов на основании постаментов CerePort ™. Поэтому был изготовлен специальный зажим, чтобы надежно удерживать основание анкерного крепления опоры в правильном положении и устанавливать его под правильным углом во время добавления винтовой резьбы ().

Для добавления внутренней резьбы к отверстиям на верхней поверхности основания анкерного крепления постамента был разработан специальный зажим, располагающий отверстия под углом 17,5 градусов.

Примеры печатаемых объектов показаны на.

Объекты, напечатанные на 3D-принтере для электрофизиологии приматов: подголовник (A), основание пьедестала (B) и камера (C) из титана, а также направляющая для краниотомии из смолы (D). Указанная цена является средней стоимостью печати.

2.13. Остеосовместимое покрытие

Гидроксилапатит (ГА) представляет собой синтетическую форму фосфата кальция (естественный компонент костей и зубов), который широко используется в качестве биоматериала для восстановления и замещения костей (Сурменев и др., 2014, LeGeros, 2016). Коммерческие ортопедические и зубные имплантаты покрыты гранулами ГК, чтобы способствовать остеоинтеграции между костью и имплантатом (Søballe et al., 1990, Cook et al., 1992, Lanz et al., 2013, Raphel et al., 2016). На нижние поверхности наших имплантатов была нанесена плазменная обработка HA компанией Medicoat AG (Mägenwil, Швейцария) по цене 230 евро за имплант. Обратите внимание, что эта процедура не получила широкого распространения в области нейробиологии приматов, и мы ранее наблюдали успешную остеоинтеграцию имплантатов, которые не были покрыты ГК.Следовательно, насколько нам известно, преимущества этого не изучены и не доказаны на обезьянах. Тем не менее мы чувствовали, что потенциальные выгоды заслуживают дополнительных затрат. К нижним поверхностям ножек и основания был добавлен 30-микронный титановый связующий слой, а затем 50-микронный слой HA. В процессе нанесения покрытия отверстия для винтов были замаскированы, чтобы предотвратить изменение их размеров и гладкости поверхности. Более подробное описание того, как это было выполнено, можно найти в документе под названием «Как заказать покрытие из гидроксилапатита» в разделе «Дополнительная информация».

2.14. Хирургическая процедура

Все экспериментальные хирургические процедуры соответствовали Руководству NIH по уходу и использованию лабораторных животных (Национальный институт здоровья, Бетезда, Мэриленд) и были одобрены институциональным комитетом по уходу и использованию животных Королевской Нидерландской академии искусств и Наук.

Курс антибиотиков начинался за два дня до каждой операции, и животное взвешивалось для получения правильной дозировки. Анестезию вызывали внутримышечным введением кетамина (7 мг / кг) и медетомидина (0.08 мг / кг). Мы вводили 0,1 мл атропина (концентрация 0,5 мг / мл), если частота сердечных сокращений упала ниже 75 ударов в минуту. Животное помещали на коврик с подогревом, чтобы обеспечить непрерывное регулирование температуры тела. Для поддержания увлажнения глаз применялась мазь для глаз. Ксилокаиновую мазь наносили на ушные вкладыши стереотаксической рамки, и голову животного закрепляли в рамке.

Для поддержания анестезии животное было интубировано и вентилировано 0,8–1,5% изофлураном (20% O ₂ и 80% воздуха).Внутривенный катетер был введен в вену руки. Во время хирургической имплантации подголовников и камер мы вводили фентанил в дозе 0,005 мг / кг по показаниям, глюкозу Рингера в дозе 10–15 мл / кг / час и антибиотики внутривенно. При хирургической имплантации электродных матриц дополнительно вводили мидазолам в дозе 0,5 мг / кг (концентрация 5 мг / мл) один раз в час. ЭКГ, частоту сердечных сокращений, внешнее артериальное давление, SpO ₂ , CO ₂ , температуру, мышечный тонус, дыхание и реакцию на болевые раздражители контролировали непрерывно.Голову побрили и промыли раствором хлоргексидина и спиртом. Для установки черепных имплантатов полукруглый кожный лоскут осторожно отделяли от черепа над желаемым местоположением имплантата, отражали и обертывали влажными ватными тампонами, чтобы он оставался влажным. Способы имплантации подголовника, камеры и основания анкеровки пьедестала, а также послеоперационное восстановление описаны отдельно в следующих разделах.

2.14.1. Имплантация подголовника

Титановый подголовник автоклавировали для обеспечения стерильности.Имплант устанавливали на череп, передние лапы располагали близко к надбровной дуге, и отрегулировали так, чтобы он идеально прилегал к черепу. Мы использовали кортикальные винты Ti диаметром 2 мм (DePuy Synthes, Amersfoort, Нидерланды), чтобы прикрепить головную стойку к кости. На лоскуте кожи делали небольшой разрез, достаточно большой, чтобы позволить выходить из подголовника, и затем кожу натягивали на подголовник, покрывая его ноги. Мы расположили отверстие таким образом, чтобы на коже сохранялось небольшое натяжение.Края раны были сшиты вместе, и вокруг основания выступающей части подголовника был наложен дополнительный шов, чтобы удерживать кожу закрытой вокруг только что сделанного отверстия.

2.14.2. Имплантация камеры

Перед использованием мы стерилизовали наш полимерный шаблон для краниотомии, пропитав его спиртом на 30 минут, и автоклавировали Ti камеру. Для имплантации камер (и электродов), помимо стереотаксических координат, мы использовали руководство по краниотомии для определения точного местоположения краниотомии, как было определено во время предоперационного планирования ().Сначала направляющая была прикреплена к подголовнику, который был имплантирован во время предыдущей процедуры. Затем с помощью маркера отслеживали окружность желаемой трепанации черепа и выполняли трепанацию трепана. Камеру поместили над круговой трепанацией черепа и прикрепили к кости винтами из титана. На кожном лоскуте был сделан небольшой разрез, достаточно большой, чтобы позволить выйти из камеры. Кожа была натянута на ножки камеры и зашита. Для герметизации камеры мы использовали колпачок от Crist Instrument Co., Inc (Хагерстаун, Мэриленд), который имел внутреннее резиновое кольцо и был закреплен с помощью трех винтов, которые выступали в канавку, проходящую по внешнему диаметру камеры.

2.14.3. Имплантация анкерного основания опоры

Титановое опорное основание опоры было автоклавировано для обеспечения стерильности. Имплант был отрегулирован до правильного положения на черепе. Винты из титана использовались для прикрепления анкерного основания к кости. Мы заполнили отверстия для винтов костным воском, чтобы предотвратить выход тканей и жидкости в период восстановления, когда мы ожидаем интеграции имплантата с костью.Кожа была стянута по всему имплантату и зашита. Мы планируем прикрепить CerePorts ™ во время второй операции, во время которой массивы будут вставлены в зрительную кору.

2.14.4. Восстановление

За десять минут до окончания операции аппарат ИВЛ был переведен в режим ожидания, позволяющий самостоятельно дышать. По завершении процедуры обезьяна была освобождена от стереотаксического аппарата. Изофлуран был выключен и был введен антагонист i.м. (атипамезол 0,008 мг / кг), позволяя животному проснуться. После операции за субъектами внимательно наблюдали, и им давали несколько недель на восстановление. Для животного, получившего опорную пластину, запланирован минимальный интервал в два месяца между имплантацией опорной пластины и имплантацией электродных матриц и CerePorts ™. Послеоперационный уход включал обезболивание с помощью finadyne i.m. (1-2 мг / кг) в день операции с последующим пероральным приемом Метакама, который намазывали на кусочки фруктов или смешивали с сиропом при 0.1 мг / кг в день в течение шести дней после операции.

3. Результаты

По сравнению с имплантатами массового производства, не производимыми индивидуально, наши имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, имплантировались быстрее и проще, поскольку их основание уже было оптимальной или близкой к оптимальной форме. Для одной из наших камер (подробно описанной ниже) нам пришлось немного согнуть ножки плоскогубцами, чтобы получить хорошую посадку. Другие имплантаты не нуждались в дальнейшей модификации во время операции. Во всех случаях, включая те, где наши имплантаты были отрегулированы вручную, мы не наблюдали зазора между основанием имплантата и черепом () практически полностью, что уменьшало вероятность проникновения ткани и жидкости и последующей бактериальной инфекции и воспаления тканей.

Во время хирургической имплантации наши индивидуализированные имплантаты плотно прилегают к поверхности черепа, оставляя мало места для проникновения жидкости.

На момент имплантации большинство наших животных были молодыми в возрасте от 4 до 7 лет, и временной интервал между их анатомическим сканированием и датой имплантации составлял до 10 месяцев. Это подняло вопрос о том, приведет ли нормальное развитие и рост черепа к изменениям в их костной структуре, отрицательно влияя на посадку имплантата.Однако во время операции мы не наблюдали влияния прошедшего времени на посадку имплантата.

3.1. Имплантация камеры

У одного из животных, которым была сделана камера, местоположение, указанное направляющей для трепанации черепа, точно соответствовало положению стереотаксических координат. Однако у другого животного мы заметили расхождение примерно в 1 см между местоположением, предсказанным хирургическим шаблоном, и местоположением, основанным на стереотаксических координатах. Мы расположили трепанацию черепа в соответствии с местоположением, указанным хирургическим шаблоном.Однако после выполнения трепанации черепа и вставки нижней губы камеры в отверстие мы обнаружили, что ножки камеры не идеально прилегают к кости, поэтому маловероятно, что расположение нашей имплантации было точно таким, как планировалось. Поэтому мы согнули ножки плоскогубцами, чтобы они соответствовали черепу.

У обоих животных мы обнаружили, что краниотомии были немного слишком большими, поэтому мы заполнили промежуток стоматологическим акрилом. Мы подозреваем, что это произошло из-за небольшого несоответствия между размером отверстия, сделанного трепаном, и запланированным размером камеры.У одного животного (того, для которого ножки камеры регулировались вручную), зазор был расположен только на одной стороне камеры и имел размер менее полумиллиметра, поэтому требовалось лишь небольшое количество стоматологического акрила, тогда как у одного животного. у другого животного зазор был больше (хотя все же меньше 1 мм), и мы создали небольшой слой стоматологического акрила вокруг имплантата. В дальнейшем мы планируем внести небольшие коррективы в конструкцию камер, чтобы не допустить несовпадения размеров.

3.2. Имплантация опорной базы для опоры

Чтобы разместить опорную опору для опоры на черепе, нам не нужно было использовать хирургический шаблон, так как это можно было легко сделать на глаз. Одна из ножек имплантата имела характерную форму, которая позволяла ей плотно прилегать к кривизне затылочного гребня (заметный выступ кости у макак, как показано на рисунке), и мы скорректировали положение имплантата до полного закрытия. подгонка была получена. Мы не наблюдали зазоров между черепом и имплантатом.Следовательно, нам не нужно было модифицировать ножки или использовать стоматологический акрил.

3.3. Интеграция имплантата

На момент написания послеоперационный период имплантации составлял от 11 месяцев до ~ 2 лет, и ни у одного из наших животных не возникло проблем с индивидуализированными имплантатами.

У животных, получивших индивидуальные подголовники, мы обычно наблюдали небольшое втягивание кожи (, левая панель), что свидетельствует об улучшении здоровья окружающей ткани и хорошей интеграции между настроенными подголовниками и кожей.Это контрастирует с нашим предыдущим опытом работы с нестандартными подголовниками, когда мы заметили, что кожа вокруг имплантатов иногда втягивается на несколько миллиметров.

Кожа, окружающая индивидуализированные имплантаты подголовника, не показывала признаков ретракции у некоторых животных (слева) и до 3 мм ретракции у других. Одно животное получило опорную опору (справа), и кожа над имплантатом была здоровой, с небольшими признаками процедуры в течение нескольких месяцев после операции.

Для одного из животных, которым была изготовлена ​​индивидуальная подголовник, мы провели послеоперационное сканирование МРТ, что позволило нам визуализировать влияние металлической подголовника на качество сканирования.Мы наблюдали значительные артефакты в области мозга, расположенной под подголовником, простирающиеся примерно на один сантиметр от основания подголовника и перекрывающие анатомию лобной коры головного мозга (). Однако мы все же смогли получить четкое изображение височной, теменной и затылочной долей и визуализировать зрительную кору (область нашего интереса у этого животного).

Титановая подголовная стойка генерировала артефакты при послеоперационном сканировании МРТ (обозначены стрелками вверху), нарушая сигнал в области подголовника и затемняя анатомию лобной доли.Возникающие искажения формы мозга (обозначены стрелками внизу) точно повторяют контуры ножек подголовника.

На момент написания этой статьи камеры были имплантированы на 13 и 16 месяцев соответственно. После операции мы регулярно чистили камеры перекисью водорода и раствором бетадина. Электрополированные внутренние стены были гладкими и легко чистились. Мы не наблюдали потери жидкости из камер, они оставались стабильными и свободными от инфекции.У одного из наших животных основание и ножки камеры не были покрыты стоматологическим акрилом. У этого животного кожа вокруг камеры оставалась здоровой, с отступом менее 2 мм вокруг основания цилиндра, но втягивание происходило над самой передней ногой камеры.

Основание опоры для крепления было имплантировано одному животному на восемь месяцев на момент написания. Кожа закрывала имплант, что позволяло ране полностью зажить после операции. Вышележащая кожа была здоровой с нормальным ростом шерсти, а место имплантации больше не было видно через несколько месяцев после операции (правая панель), хотя при пальпации кожи мы смогли почувствовать приподнятые края основания анкеровки.

Этому же животному ранее имплантировали нестандартную подголовник. По причинам, не связанным с имплантацией индивидуализированной опорной стойки, подголовник отсоединился, и мы провели компьютерную томографию, чтобы оценить целостность черепа под подголовником. Это дало нам возможность неинвазивно визуализировать основание крепления опоры. Металлический имплант создавал на изображении существенные артефакты, которые можно было распознать по их громоздкой форме и неровным поверхностям ().Мы пальпировали кожу и убедились, что эти структуры действительно были артефактами и на самом деле не присутствовали.

Компьютерная томография выявила общие контуры основания опоры, хотя на изображении образовались многочисленные артефакты из-за металлической природы имплантата.

4. Обсуждение

Здесь мы описали, как 3D-печать может использоваться в качестве мощного инструмента для сокращения времени операции, получения индивидуальных результатов и потенциально снижения последующего риска инфицирования и отказа имплантата.Эти новые методы были встроены в более крупный процесс, который включал более традиционные методы, а также существенное планирование и постобработку. Настройка рабочего процесса, компиляция необходимых программных инструментов и поиск надежных подрядчиков для выполнения процесса печати потребовали первоначальных затрат времени и энергии. Однако, как только наши протоколы будут внедрены, этой информацией можно будет легко поделиться и использовать для создания широкого спектра хорошо адаптированных продуктов. В этом Обсуждении мы рассмотрим различные аспекты процесса и дадим представление о проблемах и преимуществах этого подхода.

4.1. Поддержка и инфраструктура

Хотя 3D-печать — это в высшей степени инновационная и даже революционная технология, представляющая собой передовой цифровой дизайн и автоматизированное производство, современные методы также основываются на экосистеме ручного труда и механической обработки. Критически важным для нашего подхода был свободный доступ к оборудованию для магнитно-резонансной и компьютерной томографии, а также материально-техническая поддержка, которая позволила нам создавать 3D-модели анатомии наших животных. Альтернативной стратегией является проведение хирургического обследования, при котором кожа временно втягивается и снимается слепок черепа, который формирует основу для будущего моделирования (Betelak et al., 2001). Однако получение слепка черепа трудоемкое и требует много времени. Мы также считаем, что КТ или МРТ предпочтительнее, потому что это позволяет избежать дополнительных хирургических вмешательств. МакЭндрю и др. (2012) ранее пытались выполнить неинвазивную процедуру «картирования черепа» на бодрствующем животном, используя стереотаксическую иглу для сканирования головы в трех измерениях (с неповрежденной кожей) с целью создания трехмерного изображения черепа. Однако при этом не удалось точно передать морфологию черепа (возможно, из-за вышележащих мышц и кожной ткани), и авторы отказались от этого подхода для получения данных МРТ и КТ.

На протяжении всего процесса проектирования мы тесно сотрудничали с нашей механической мастерской и поставщиками услуг 3D-печати, получая советы по вопросам дизайна, которые необходимо учитывать при печати наших отпечатков. Некоторые из них возникли из-за ограничений, налагаемых технологией 3D-печати, в то время как другие были связаны с принципами инженерии, такими как расчет допусков, размеров отверстий для винтов и резьбы, а также прочности материала. Если мы предполагали, что на этапе постобработки могут потребоваться определенные инструменты, такие как нитеобрезатели или зажимы, с помощью которых можно надежно удерживать наши отпечатки, они были заказаны или изготовлены заранее в нашей мастерской.

Благодаря выбору множества компаний по быстрому прототипированию в нашем регионе, мы заказали наши отпечатки на пластике и смоле несколькими поставщиками услуг и выбрали поставщиков, которые предложили лучшее соотношение цены и качества. Иногда оттиски были готовы к получению уже на следующий день после размещения заказа. Оперативное обслуживание и хорошее качество печати позволили производственному процессу продвигаться быстро.

Для наших титановых отпечатков мы извлекли выгоду из географической близости как к ведущей компании в области промышленной 3D-печати, так и к компании по нанесению медицинских покрытий (MediCoat, Швейцария).Из-за коротких сроков производства мы обычно получали наши новые титановые отпечатки в течение трех недель с даты размещения заказа, в то время как покрытие отпечатков HA занимало от одной до двух недель с даты, когда компания, производящая медицинское покрытие, получила имплант.

После того, как титановые детали были напечатаны, постобработка включала электрополировку внутренних поверхностей камер, которую выполняла сторонняя компания. Наша механическая мастерская добавила гребни и штифты к камерам и резьбу на головные стойки и основание анкерного крепления пьедестала.Две из наших головных стоек имели небольшие дефекты из-за ошибок печати и / или дизайна; однако мы смогли легко исправить их, согнув ножки плоскогубцами.

4.2. Материалы для 3D-печати

Машины, на которых были созданы наши отпечатки, варьировались от настольных принтеров, таких как Ultimaker и Form, до промышленных принтеров, которые печатали на металле. По возможности мы печатали высококачественные прототипы, чтобы проверить и оценить наши проекты, прежде чем печатать их из титана по более высокой цене.Относительно низкая стоимость прототипов отпечатков позволила нам воспользоваться преимуществами 3D-печати: возможностью быстро создавать уникальные сложные имплантаты, адаптированные для отдельных животных, а также свободу от конструктивных ограничений, налагаемых традиционными методами фрезерования с ЧПУ.

Чтобы наши проекты можно было распечатать, мы получили базовое представление о том, как работают различные 3D-принтеры. Принтеры FDM (для пластиковых отпечатков) строят свои объекты в воздухе, слой за слоем, в то время как SLA-принтеры (для полимерных отпечатков) строят свои объекты из раствора.В процессе печати принтеры FDM и SLA добавляют к отпечатку дополнительный материал, известный как «опорные конструкции». Опорные конструкции действуют как каркасы и предотвращают деформацию отпечатка под действием силы тяжести. Многие широко используемые принтеры FDM, такие как Ultimaker, являются машинами для любителей, которые, как правило, создают свои отпечатки относительно быстро и с низким разрешением. Они создают отпечатки из пластика, который имеет низкую температуру плавления, и часто может давать неоднородные результаты. Из-за свойств материала для печати и процесса нанесения отпечатки FDM могут быть хрупкими, особенно в тонких местах.Точно так же, когда дело доходит до печати с использованием SLA, оттиски из недорогих полимеров имеют тенденцию становиться хрупкими под воздействием ультрафиолетового света и, следовательно, со временем могут развалиться. Следовательно, если эти недорогие прототипы из пластмассы или смолы не предназначены для краткосрочного использования, их форма должна быть надежной. Однако мы отмечаем, что ассортимент предлагаемых материалов продолжает расширяться. По более высоким ценам можно изготавливать прототипы с использованием материалов, которые придают отпечаткам такие свойства, как дополнительная прочность, ударная вязкость, биосовместимость и гибкость.

В отличие от отпечатков из пластика и смолы, титановые отпечатки формируются слой за слоем в слое металлических частиц титана. Следовательно, им не требуются дополнительные конструкции для поддержки их веса. Частицы титана сплавляются вместе при высоких температурах с помощью лазерного луча, давая чрезвычайно прочные и долговечные отпечатки, что объясняет популярность этого метода в аэрокосмической, автомобильной и медицинской отраслях. Медицинские имплантаты обычно производятся из титана медицинского качества, и в настоящее время разрабатываются различные методы повышения их биосовместимости.К ним относятся покрытие имплантатов остеосовместимыми материалами, такими как фосфаты кальция, внедрение бактерицидных частиц серебра в остеосовместимое покрытие (Valle et al., 2012; Lanz et al., 2013) и создание наноразмерных пор на поверхности кожи. поверхность имплантатов с помощью металлического лазерного спекания, пескоструйной обработки или кислотного травления, чтобы способствовать остеоинтеграции (Buser et al., 1991, Hacking et al., 2012, Raphel et al., 2016). Дополнительным преимуществом титана является то, что он достаточно пластичный, чтобы его можно было согнуть вручную с помощью плоскогубцев, если возникнет необходимость (например,грамм. во время хирургической имплантации одной из наших камер мы выполнили ручное сгибание ног из-за несоответствия планового и фактического расположения имплантата).

Мы отмечаем, что если животное с металлическим имплантатом подвергается структурной МРТ или компьютерной томографии, имплант, вероятно, исказит магнитное поле и произведет артефакты в сигнале, которые могут скрыть анатомию мозга и / или черепа в область имплантата (как показано на,). Следовательно, любые анатомические или функциональные снимки головного мозга в идеале должны быть получены до имплантации титанового объекта, особенно если расположение имплантата близко к интересующей области мозга.Тем не менее, при определенных обстоятельствах может быть полезно провести анатомическое сканирование — например, когда исследователи хотят проверить местоположение вставленного электрода или проверить качество подлежащей кости и оценить уровень интеграции между черепом и имплант (Адамс и др., 2007). Мы бы воздержались от выполнения функционального сканирования животных с металлической головной стойкой из-за опасений по поводу возможного перегрева имплантата, а также из-за того, что это не делается широко (дальнейшие исследования свойств теплопроводности различных металлов в МР-сканере могут быть полезный).Радиопрозрачные материалы, такие как PEEK, широко используются в тех случаях, когда требуется обширное послеоперационное сканирование (Mulliken et al., 2015), в сочетании с керамическими (а не титановыми) винтами. Однако 3D-печать из PEEK все еще находится на относительно ранней стадии развития, поэтому рентгенопрозрачные имплантаты обычно производятся с помощью фрезерования с ЧПУ (McAndrew et al., 2012, Lanz et al., 2013).

Помимо пластмасс, смол и металлов, начинают разрабатываться биологические материалы.Недавно проведенное исследование продемонстрировало использование нового синтетического остеорегенеративного материала, называемого «гиперупругая кость», который состоит из гидроксилапатита (90%) и поликапролактона или сополимера молочной и гликолевой кислоты (10%) (Jakus et al. ., 2016). Этот материал можно было быстро напечатать на 3D-принтере, и он имел свойства, имитирующие свойства естественной кости, такие как высокая пористость, эластичность и прочность. Черепной имплант, сделанный из гиперупругой кости, использовался для восстановления дефекта черепа обезьяны (Jakus et al., 2016), и исследователи обнаружили, что он легко интегрируется с костью и имеет хорошую васкуляризацию всего через четыре недели после операции, что делает его многообещающим материалом для создания будущих имплантатов в нейробиологии.

4.3. Программа для 3D-моделирования

Мы изучили широкий спектр инструментов для 3D-моделирования, уделяя особое внимание бесплатному программному обеспечению с открытым исходным кодом. InVesalius, OsiriX, FSL и 3D Slicer использовались для обработки данных КТ и МРТ, в то время как Blender, MeshLab и DAZ Studio использовались для 3D-дизайна и рендеринга.Данные изображений обычно хранятся в формате DICOM и легко доступны с помощью ряда программных инструментов. Однако при трехмерном моделировании используется множество форматов файлов, наиболее популярными из которых являются форматы STereoLithography (STL), OBJect (OBJ) и PoLYgon (PLY). Каждая программа могла обрабатывать определенный набор форматов 3D-файлов, что требовало разнообразного программного обеспечения для выполнения всех необходимых функций. Мы надеемся, что другие исследователи смогут воспользоваться преимуществами предлагаемого рабочего процесса (), тем самым сократив время, необходимое для определения необходимых программных инструментов и их интерфейсов, чтобы они могли быстро собрать свой собственный согласованный рабочий процесс.Мы также собрали серию справочных руководств, которые доступны для загрузки в разделе «Дополнительная информация» (см. Раздел 4.6, «Обмен среди исследователей»).

Таблица 2

Рабочий процесс для каждого типа печатаемого объекта со списком задействованного программного обеспечения и форматов файлов. Цифры в столбцах «Выходные данные» относятся к порядку выполняемых шагов. «1/2» указывает, что эти шаги могут выполняться одновременно или в любом порядке.

4.4. Краниотомия

У одного из наших животных с SC наши руководства по краниотомии были успешно объединены с предоперационным планированием и стереотаксическими измерениями, что позволило нам точно определить границы краниотомии. Кроме того, точно подобранная подгонка нашего имплантата помогла проверить правильность его положения на черепе во время имплантации, поскольку небольшие отклонения от запланированного положения привели к неоптимальной подгонке. В некоторых случаях такая настройка может уменьшить или устранить необходимость для исследователей в проведении постфактуальных исследований изображений для определения оптимальной траектории электродов, которые вводятся через камеру (Kalwani et al., 2009). Например, мы успешно получили записи от верхнего холмика у одного из наших животных через настраиваемую записывающую камеру без необходимости проводить послеоперационное сканирование (на момент написания мы не начали запись с другого животного, но мы также ожидаем, что сканирование не потребуется). Тем не менее, эти методы не всегда надежны. У одного животного мы заметили несоответствие между хирургическим шаблоном и предполагаемыми стереотаксическими координатами, а также несовершенное прилегание камеры к черепу.Мы ожидаем, что вероятность этих несоответствий уменьшится по мере того, как исследователи приобретут опыт использования этих методов.

У обоих животных мы обнаружили, что трепанация черепа была немного больше диаметра камеры, и мы использовали стоматологический акрил, чтобы заполнить промежутки. Следовательно, следует тщательно измерить точный размер камеры для печати и сравнить его с трепаном, чтобы обеспечить как можно более точное прилегание. В качестве альтернативы стоматологическому акрилу можно было бы рассмотреть возможность использования Geristore® (DenMat, Lompoc, CA), иономера смолы, который, как сообщается, предлагает несколько преимуществ по сравнению с стоматологическим акрилом, такие как повышенная биосовместимость (Johnston et al., 2016) или пасты из гидроксилапатита, такой как Mimix QS (Biomet Microfixation, Джексонвилл, Флорида) (Adams et al., 2011).

4.5. Соображения по дизайну

В процессе 3D-моделирования мы рассмотрели несколько дизайнов наших имплантатов. Например, мы протестировали различные конфигурации компоновки основания для крепления опоры и отрегулировали количество опор и их положение. Во время операции мы обнаружили, что одна из ножек анкерного основания расширялась латерально под мышечной тканью, окружающей место имплантации, немного затрудняя доступ к одному из отверстий для винтов.Следовательно, для будущих имплантатов мы планируем создать 3D-модель вышележащей кожи и мышечной ткани на основе наших МРТ-сканирований, чтобы гарантировать легкий доступ к ножкам и отверстиям для винтов.

Во всех наших конструкциях использовалось несколько ножек на имплант. Недостатком этого является то, что приподнятый профиль ног может вызвать отступление кожи от имплантата, в конечном итоге обнажая кость (Mulliken et al., 2015). Это произошло только в одном из наших имплантатов (камере) только для одной из его ножек. Проблемная нога располагалась рядом с существующей подголовником, что могло способствовать втягиванию кожи.Альтернативный метод, описанный Mulliken et al. (2015) для создания индивидуальных камер из PEEK заключается в том, чтобы встроить отверстия для винтов в стенку самой камеры (Mulliken et al., 2015). Недостатком этого подхода является то, что окружность камеры увеличивается, а точки крепления винтов сосредоточены в небольшой области, а не распределены по большей площади, что может способствовать механической нестабильности.

Адамс и др. (2007) сообщили об использовании титановых головных штифтов со стопами такой же толщины, как у нас (1 мм), и они обнаружили, что через 14 месяцев после имплантации кость разрослась над стопами, частично внедрив головные стойки и винты в череп.Обычно мы наблюдали небольшое втягивание края чрескожной раны у наших животных, возможно, из-за мер предосторожности, предпринятых во время операции, чтобы кожа плотно обернулась вокруг наших имплантатов, а также из-за низкого профиля наших стоп (~ 1 мм).

Мы определили несколько улучшений, которые можно было бы внести в конструкцию наших камер. Во-первых, мы электрополировали внутреннюю часть наших камер, а также верхнюю половину внешней части. У одного животного мы обнаружили, что нижняя половина внешней части камеры имеет тенденцию накапливать грязь из-за ее шероховатой поверхности.Следовательно, в будущих итерациях мы планируем электрополировать весь цилиндр (но не ноги). Во-вторых, конструкция наших камер включала штифт, который выступал из внешней стенки камеры; однако во время записи с SC мы обнаружили, что штифт не нужен, и ограничили количество позиций, к которым можно получить доступ с помощью нашего микропривода, и мы можем исключить штифт из последующих конструкций. В-третьих, наши камеры были спроектированы с нижней «губой» вокруг основания цилиндра, которая простиралась ниже поверхности черепа и улучшала герметичность между камерой и костью.Однако наличие губы помешало нам проверить прилегание ножек камеры к черепу до выполнения трепанации черепа. Следовательно, для будущих имплантаций камеры мы планируем напечатать версию камеры без губ из полимера, которая будет использоваться для определения точного положения камеры на основе соответствия между черепом и ножками камеры, прежде чем выполнять краниотомия. Мы могли бы даже объединить камеру из смолы без губ с нашим проводником для трепанации черепа, создавая проводник из пластика для однокамерной трепанации черепа.

4.6. Совместное использование между исследователями

Как только наш рабочий процесс был налажен, мы смогли легко поделиться этими методами между членами лаборатории. В то время как основание и ножки наших имплантатов были адаптированы к анатомии отдельных животных, элементы дизайна, такие как верхние части камер и подголовники, были стандартизованы для разных животных, чтобы обеспечить совместимость с микроприводами и держателями подголовников, используемыми в нашей лаборатории. Мы создали серию руководств, а также файлы шаблонов Blender для наших 3D-моделей, которые содержали «строительные блоки» для каждого типа имплантата.Эти руководства и файлы шаблонов доступны для загрузки в качестве дополнительной информации. Использование программного обеспечения с открытым исходным кодом облегчило обмен файлами, а также передачу навыков и знаний, что позволило исследователям овладеть всем процессом 3D-моделирования и печати в течение нескольких недель. Если будет доступна важная инфраструктура, такая как механический цех, центр сканирования и услуги 3D-печати, вполне вероятно, что эту систему можно будет легко внедрить в других лабораториях.

4.7. Стоимость

Несколько крупных компаний предлагают услуги 3D-печати металлом «по запросу», обеспечивая доступ к передовым промышленным 3D-принтерам, которые производят высококачественные металлические детали.Обычно себестоимость таких принтеров начинается от нескольких сотен тысяч евро, доходя до 1 миллиона евро и более, в зависимости от модели. Из-за низких затрат на настройку для каждой печати такие компании могут производить индивидуальные, одноразовые решения, специально предназначенные для медицинского, стоматологического и исследовательского рынков.

Коммерчески производимые индивидуальные имплантаты, предлагаемые исследовательскими компаниями в области нейробиологии, как правило, изготавливаются с использованием методов фрезерования с ЧПУ, а не 3D-печати. Себестоимость таких имплантатов включает в себя оплату труда и накладные расходы, а также стоимость оборудования и материалов, а также рентабельность компании.Следовательно, не совсем просто сравнить общие затраты на производство имплантатов между коммерчески предлагаемыми продуктами и решениями для 3D-печати, разработанными нашей лабораторией. Однако, насколько нам известно, наши индивидуализированные имплантаты значительно дешевле, особенно когда речь идет о записывающих камерах. Что касается индивидуальных подголовников, наиболее конкурентоспособные коммерчески доступные решения, о которых мы знаем, немного дороже, чем наши титановые подголовники (в среднем 399 евро за материалы), даже с учетом затрат на рабочую силу при разработке индивидуальных имплантатов.Таким образом, соображения стоимости сами по себе не должны удерживать исследователей от использования имплантатов, напечатанных на 3D-принтере.

4.8. Значение для исследований

Плохо спроектированные имплантаты, не соответствующие уникальной кривизне черепа животного, могут привести к более высокому риску инфекции, разрастанию тканей и, в конечном итоге, к отказу имплантата. Потеря или поломка имплантата требует экстренной хирургической операции (Adams et al., 2007) и, если возможно, повторной имплантации, что вызывает дополнительное физическое и эмоциональное напряжение у животного и часто мешает сбору экспериментальных данных.Повышение качества имплантатов приводит к лучшей стабильности и долговечности нейронных записей, улучшению самочувствия животных и лучшим научным результатам. Из-за небольшого количества животных, участвовавших в наших исследованиях, и наличия других потенциально мешающих факторов (таких как общее состояние здоровья каждого животного или уровень поддержания краев раны отдельными исследователями), наши результаты в первую очередь качественные. и наши наблюдения основаны на визуальном осмотре, проведенном лабораторными исследователями, зоотехниками и ветеринарами.Тем не менее, мы отмечаем, что ни один из наших индивидуальных имплантатов до сих пор не вызвал проблем с инфекцией или расшатыванием черепа, а втягивание кожи вокруг имплантатов, по-видимому, меньше, чем обычно наблюдается с ненастроенными имплантатами. Область 3D-печати расширилась и достигла зрелости, сделав ее методы доступными для исследовательских лабораторий по ценам, которые конкурируют с ценами на готовые продукты, что дает ученым мощный стимул использовать индивидуальные имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, для своих исследований.

Применение 3D-печати в здравоохранении

Реферат

3D-печать — это относительно новый, быстро развивающийся метод производства, нашедший множество применений в здравоохранении, автомобилестроении, аэрокосмической и оборонной промышленности и во многих других областях. В этом обзоре будут представлены приложения в медицине, которые революционизируют способы проведения хирургических операций, разрушают рынки протезов и имплантатов, а также стоматологию. Также будет кратко обсуждена относительно новая область биопечати — печать клетками.

Ключевые слова: 3D-печать, применение в здравоохранении, слуховые аппараты, стоматология, хирургия, медицинские устройства

Реферат

Drukowanie w 3D jest stosunkowo nową, burzliwie rozwijającą się dziedziną zytwarzania, medoccłzórazneznemezneznán и обронным ораз wielu innych dziedzinach. W tym przeglądzie zostaną omówione zastosowania w medycynie, które rewolucjonizują sposób przeprowadzania operacji chirurgicznych, zakłócają działanie rynków implantów i proteologii ora.Przedstawiona zostanie również względnie nowa dziedzina biodruku, tj. druku komórkami.

3D-печать (3DP) разработана как модификация старого инжекторного принтера. Сегодня он быстро расширяется: почти каждую неделю появляются новые принтеры и материалы для печати, предлагающие новые возможности, а также новые интересные приложения. Здравоохранение, автомобилестроение, авиакосмическая промышленность и оборонная промышленность — самые яркие области применения 3DP. В этом обзоре будут представлены приложения в медицине, которые революционизируют способы проведения операций, разрушая рынки протезов и имплантатов, а также стоматологию, и это лишь некоторые из них.Также будет кратко обсуждена относительно новая область биопечати , то есть печать клетками. Как будет показано ниже, многочисленные применения 3DP в медицине относятся к персонализированной медицине. Например, имплантаты или протезы печатаются на 3D-принтере для тела конкретного пользователя, оптимизируя работу технологии для отдельного человека, а не обычного пользователя, как в случае с большинством продуктов массового производства. Следует подчеркнуть, что в отличие от более известных случаев персонализированной медицины, имеющей дело с молекулами лекарств и их соответствующими активными центрами, и, следовательно, в наномасштабе, приложения 3DP, разработанные именно для нужд пациента, находятся на макроуровне.

Применение 3DP в медицине быстро растет. Они включают индивидуализированные имплантаты [1] и протезы [2], медицинские модели [3] и медицинские устройства [4], которые революционизируют здравоохранение и могут даже разрушить многие области традиционной медицины. Комментарий Роберта Эльзенпетера из сети ModernDental [5] — «Будущее может показаться сумасшедшим, но оно реально — и оно не за горами» — относится к стоматологии, но справедливо для всей области.

Краткое описание применения 3D-печати в медицине предоставлено Кристофером Барнаттом на YouTube-канале ExplainingTheFuture [6].

На рынке здравоохранения несколько факторов влияют на глобальную 3D-печать, такие как достижения в области технологий и улучшение инфраструктуры здравоохранения, с одной стороны, и увеличение как доли стареющего населения, так и инвестиций в исследования и сектор развития, с другой. Область стремительно расширяется. 3D-принтер польской компании Zortrax представлен в формате.

3D-принтер польской компании Zortrax [9] получил высокую оценку пользователей сайта 3Dhubs [10] © Zortrax

Согласно Википедии [7], Аддитивное производство или 3D-печать [8] — это процесс создание трехмерного твердого объекта практически любой формы из цифровой модели.Что очень важно, 3DP позволяет изготавливать за один проход объекты, которые невозможно получить никаким другим способом изготовления. Объекты с отверстиями, иногда заполненные плотной сеткой, как в костных имплантатах, являются хорошими примерами таких возможностей (, [9, 10]). Изготовление объектов, состоящих из нескольких движущихся относительно друг друга частей или состоящих из взаимопроникающих конструкций за один проход, также невозможно каким-либо другим способом.

3D-печать костной структуры с пористой структурой кости, представленная на 3D PrintShow Berlin 2015 © H.Dodziuk

Вкратце, 3DP состоит в наложении последовательных слоев материала различной формы, каждый из которых печатается непосредственно поверх предыдущего в соответствии с компьютерной программой. 3DP as аддитивная технология отличается от традиционных производственных технологий, которые представляют собой процессы ubtractive , в которых материал удаляется с использованием таких методов, как резка или сверление.

В статье Википедии [7] говорится, что начало 3DP восходит к 1980-м годам, в то время как Мэри Гел [11] копала еще дальше в прошлом, к 1970-м годам, без каких-либо ссылок на это утверждение.Интересно, что французская компания General Electric (ныне Alcatel-Alsthom) и CILAS (The Laser Consortium) отказались в начале 1980-х годов от заявок на свой патент на стереолитографию [12], один из наиболее важных процессов в 3DP, в котором добавляются слои. путем отверждения [13] ультрафиолетовым лазером [14]. Заявленная причина — «отсутствие бизнес-потенциала» [15]. Одним из важнейших отцов-основателей 3DP является Чак Халл [16], который основал 3D Systems Corporation [17] и разработал прототип системы, основанный на стереолитографии.Фактически, определение Халлом процесса как «системы для создания трехмерных объектов путем создания поперечных сечений [18] объекта, который должен быть сформирован» было похоже на определение процесса, ранее изобретенного Кодамой. [19, 20]. Большой вклад Халла — это разработка формата файлов STL (STereoLithography) [21], широко применяемого в программном обеспечении для 3D-печати, а также стратегий цифрового нарезания и заполнения, которые сегодня широко применяются во многих процессах.

Термин «3D-печать» был изобретен в 1995 г. проф.Эли Сакс из Массачусетского технологического института, автор проекта модификации струйного принтера таким образом, чтобы связующий раствор выдавливался на слой порошка, а не наносил чернила на бумагу, как это делалось в старых струйных принтерах. Сегодня термины 3D-печать (3DP) и аддитивное производство (AM) используются как синонимы. Кроме того, настольное производство , быстрое изготовление или быстрое прототипирование иногда используются для описания этого метода производства.

Трехмерные модели, предназначенные для печати, в виде файлов Hull в формате STL, создаются либо с помощью пакета автоматизированного проектирования (САПР) [22], либо с помощью 3D-сканера [23], либо с помощью простой цифровой камеры и программного обеспечения для фотограмметрии [24]. В медицине они создаются с помощью рентгеновских или томографических изображений, преобразованных в формат STL. Наименьшее количество ошибок создается с помощью метода САПР. Их можно исправить перед печатью, что позволяет проверить дизайн объекта до того, как он будет напечатан [25].

Следует подчеркнуть, что сегодня в аддитивном производстве применяется не менее 18 методов, некоторые из которых имеют несколько модификаций [9, 26–28].Печатные материалы также очень разнообразны. Их называют нитями, когда они содержат пластик (полимолочная кислота [PLA], акрилонитрилбутадиенстирол [ABS], полиамид, нейлон, полиэтилентерефталат [PET] и т. Д.). Однако для 3DP можно использовать металлические порошки, резину, стекло, песок, углеродные волокна и графен, а также органические материалы (например, клетки, дерево и шоколад), практически все, что угодно. Важным этапом после того, как объект был напечатан с использованием большинства методов, является постобработка, поскольку из-за многослойности, задействованной в процессе, распечатки имеют шероховатую поверхность.Недавно компания Polymaker получила сильную поддержку [29] на краудсорсинговом сайте Kickstarter за свой проект, сделавший постобработку устаревшей. Они пообещали оказать поддержку в размере 100 000 долларов и получили более 433 000 долларов на совершенно новую филаментную и настольную машину 3DP, которая должна значительно улучшить качество поверхности 3D-печатных деталей, не требующих постобработки.

Прогресс в 3DP будет достигнут не только за счет разработки новых принтеров и нитей, но также за счет прогресса в сканерах и программном обеспечении 3DP.Сегодня коммерческие пакеты САПР непросты в использовании и требуют специальных знаний. Это мешает не только приложениям 3DP в здравоохранении, но и всему потребительскому рынку 3DP. Еще одна область применения 3DP в здравоохранении — это разработка высококачественных специальных материалов для 3D-печатных протезов, имплантатов и различных медицинских устройств.

Еще несколько лет назад 3DP использовалась в основном в так называемой быстрой оснастке и создании прототипов, что позволяло инженерам проектировать и совершенствовать инструменты процесса проектирования и прототипы.Однако сегодня этот метод производства интенсивно применяется в автомобильной, авиакосмической, военной, машиностроительной, стоматологической и медицинской отраслях. Также существует множество применений в моде, обуви, ювелирных изделиях, очках, продуктах питания и во многих других областях. Особый интерес представляет 3DP с клетками под названием bioprinting , который в настоящее время приносит первые приложения и имеет большие перспективы.

Экономист, социальный теоретик, писатель и активист Джереми Рифкин, автор 20 книг о влиянии научно-технического развития на экономику, рабочую силу, общество и окружающую среду, утверждает, что 3D-печать является одной из основ третья промышленная революция [30].

3DP в здравоохранении

Признано, что использование 3D-печати в медицине, как фактическое, так и потенциальное, принесет революционные изменения [31, 32]. Их можно разделить на несколько широких категорий, включая: создание индивидуальных протезов, имплантатов и анатомических моделей, изготовление тканей и органов; производство специальных хирургических инструментов, фармацевтические исследования, касающиеся изготовления лекарств, лекарственных форм, доставки и открытия [33], а также производство медицинских устройств.Преимущества, предоставляемые применением 3D-печати в медицине, включают не только индивидуальную настройку и персонализацию медицинских продуктов, лекарств и оборудования, но также рентабельность, повышение производительности, демократизацию проектирования и производства и расширенное сотрудничество [32, 34–36 ].

Исследовательская компания Gartner утверждает [37], что приложения 3DP в здравоохранении уже широко распространены. Это, безусловно, верно для слуховых аппаратов и частично для стоматологических устройств, но разработка в таких областях, как имплантаты и протезы, а также планирование операций кажутся более сложными.Более того, многочисленные нетривиальные приложения, такие как моделирование пороков сердца плода [38] и очки для слепых и слабовидящих [39], обсуждаемые ниже, показывают, насколько сложно делать прогнозы в этой области. Кажется, что приложения в здравоохранении можно разделить как минимум на три категории: основные или близкие к ним (слуховые аппараты и стоматологические устройства), те, которые широко используются, но все еще не являются основными (включая большую часть рынка протезов). или производство медицинских устройств, таких как стетоскопы [40] или книги для слепых [41]), и устройства, находящиеся на ранней стадии разработки, но способные войти в широкое распространение (например, биопечать с клетками или 4D печать, то есть 3D печать, в которой напечатанный объект меняет свою форму после изготовления [42]), и есть надежда, что в будущем они произведут революцию в медицинских приложениях 3DP.Еще одно направление — это 3DP лекарств [43].

В целом применения 3DP в медицине разнообразны, и в некоторых областях она (например, на рынке слуховых аппаратов) или может (как в случае с протезами) подорвать рынок в целом.

Применение 3DP в слуховых аппаратах [44]

В средствах массовой информации появляются многочисленные сообщения о впечатляющих применениях 3DP на Земле и в космосе, но тихая и впечатляющая революция в производстве слуховых аппаратов осталась практически незамеченной [45].Как выразился Ракеш Шарма из Forbes, это «революция в 3D-печати, о которой вы даже не слышали». По словам Фила Ривза, автора отчета об индустрии 3D-печати, в 2013 году во всем мире находилось в обращении более 10 000 000 слуховых аппаратов, напечатанных на 3D-принтере. Сегодня используется гораздо больше. 3DP превратила ручную, трудоемкую отрасль в автоматизированную, быструю и ориентированную на пациента. До внедрения 3DP в эту область производство слуховых аппаратов выглядело как разновидность кустарного производства; прошло больше недели.Сегодня процесс 3DP, который включает сканирование, моделирование и печать, может занять меньше дня.

В этой области революция была инициирована бельгийской компанией Materialise [46] в сотрудничестве со швейцарским производителем слуховых аппаратов. Они начали приложения 3DP в этой области, разработав Rapid Shell Modeling, или RSM, еще в 2000 году. С другой стороны, в 2005 году EnvisionTec [47] разработал свой собственный процесс (цифровое моделирование оболочки, DSM), в то время как датская компания Widex произвела самая маленькая в мире помощь [48] с CAMISHA (Автоматизированное производство индивидуальных корпусов для слуховых аппаратов).Недавно (февраль 2016 г.) [49] в Лас-Вегасе прошла выставка Starkey Innovation Expo. Фаукес из Starkey сказал, что компания производит 98% слуховых аппаратов с использованием стереолитографических (SLA) принтеров, в то время как по медицинским причинам и сложным форм-факторам оставшиеся 2% не производятся с использованием 3DP. Интересно, что применение 3DP не привело к снижению стоимости слуховых аппаратов, вероятно, потому, что на рынке доминируют немногие компании.

Следует подчеркнуть, что применение 3DP в производстве слуховых аппаратов было проанализировано как пример его разрушительного воздействия на устоявшиеся компании [50].

В Польше Институт физиологии и патологии слуха в Каетанах использует 3DP не для изготовления имплантатов, а для моделирования и обучения [51].

Применение 3D-печати в стоматологии [52, 53]

Первые промышленные применения 3DP были в области быстрого набора инструментов и быстрого прототипирования. Таким образом, его использование в стоматологии, где производились отдельные персонализированные предметы, было очевидным следующим шагом. Сегодня, сочетая сканирование полости рта, дизайн CAD / CAM и 3D-печать, зуботехнические лаборатории могут точно и быстро изготавливать коронки, мосты, гипсовые / каменные модели и ряд ортодонтических приспособлений, таких как хирургические шаблоны и выравниватели.Вместо неудобных впечатлений делается 3D-сканирование, которое позже преобразуется в 3D-модель и отправляется на 3D-печать. Распечатанная модель может быть использована для создания полного спектра ортодонтических аппаратов, ложек для доставки и позиционирования, прозрачных элайнеров и ретейнеров. Более того, модели можно удобно хранить в цифровом виде в виде файлов 3D CAD (Computer Assisted Design). 3DP позволяет оцифровать весь рабочий процесс, резко сокращая время производства и значительно увеличивая производственные мощности.Кроме того, они позволяют избавиться от физических оттисков и хранения моделей.

В 2015 году в зуботехнических лабораториях произошли быстрые изменения [54]: «изменения произошли быстро и яростно, особенно потому, что это был год, когда прошла Международная стоматологическая выставка, на которой были представлены некоторые из самых передовых решений, поступающих в мир зуботехнических лабораторий. ».

1. Повсюду внедрены новые технологии изготовления зубных протезов. «Хотя весь потенциал цифровых инструментов в процессе изготовления зубных протезов еще не реализован, 2015 год дал несколько заманчивых взглядов на некоторые из возможностей.Внезапно полные зубные протезы, полностью изготовленные из цифровых файлов, не кажутся таким уж далеким вариантом ».

2. Более удобные модули меняют CAD.

3. В 2015 году впервые «казалось, что печать полностью готовых зубных протезов и реставраций одним нажатием кнопки стала ближе к реальности». Благодаря стоматологическому принтеру, который может печатать слои из разных материалов друг над другом [55], и одобренному FDA материалу для протезирования для 3DP [56] «3D-печать заигрывает с будущим».

4. Подрывной характер 3DP для отрасли: с помощью 3DP стоматологи вводят лаборатории в свои офисы, а принтеры и материалы приносят революционные изменения в лаборатории, стоматологов и зубных техников. Это требует постоянного образования от зубных техников, с одной стороны, с некоторыми новыми захватывающими возможностями, с другой.

5. Число стоматологических лабораторий в США сокращается. Это связано с 3DP?

Существует множество новых 3D-принтеров для стоматологических и ортодонтических лабораторий не только от гиганта 3DP Startasys [57], но и от небольших компаний, таких как Zenith 3D Printing Systems [58], Envision [59], AXSYS, Valplast и т. Д. .Как уже упоминалось, здесь также следует упомянуть новый, первый одобренный FDA печатный материал [56] и новый материал, убивающий бактерии [60].

Интересным, малоизвестным типом хирургических 3D-печатных устройств, используемых в стоматологической практике, являются хирургические шаблоны [61], которые также печатаются на 3D-принтере.

Таким образом, новые недорогие принтеры для малых, средних и крупных стоматологических лабораторий и клиник с новыми удобными режимами работы, а также новые материалы обеспечили широкое применение 3DP в стоматологии в США.Несомненно, эта тенденция сохранится и в других странах. Интересно, что первое, насколько нам известно, дело об ответственности в отношении 3DP (зубных выравнивателей) было подано в суд в Калифорнии [62].

Протезы, напечатанные на 3D-принтере

Протезы, напечатанные на 3D-принтере, могут быть изготовлены по индивидуальному заказу и стоят намного дешевле традиционных альтернатив. Конечность также может быть изменена, чтобы стать более стильной, с добавлением татуировок и узоров [63].

Протезы, напечатанные на 3D-принтере, являются хорошим примером того, какое влияние может оказывать эта техника, поскольку, с одной стороны, они недороги, а с другой — полностью адаптированы к потребителю.Кроме того, они более удобны, чем традиционные протезы, и их можно изготовить за день [64]. Низкая стоимость напечатанных на 3D-принтере протезов конечностей особенно важна при протезировании детей, так как они быстро перерастают протезы. Более того, вскоре могут появиться растяжимые и расширяемые 3D-протезы для детей, которые смогут «расти» вместе с ребенком. В Интернете можно найти вспомогательные устройства «сделай сам», которые может распечатать практически кто угодно и где угодно. Принимая во внимание высокую стоимость традиционных протезов, это приводит к революции, нарушающей рынок протезов.

Одним из первых и наиболее широко освещаемых примеров является протез руки, разработанный 17-летним старшеклассником Истоном Лашапелем [65], который хотел помочь 9-летней девочке, родители которой не могли позволить себе новый протез. протез руки большего размера за 80 000 долларов. Его напечатанный на 3D-принтере протез, управляемый повязкой на голову, снабженной ЭЭГ (электроэнцефалографией), с помощью которой мозговые волны контролировали движение протеза, стоил менее 500 долларов. Он разместил свои проекты в Интернете [66], чтобы каждый мог доработать, перепрофилировать и использовать.В настоящее время Истон работает с НАСА над созданием роботов. Он также хочет помочь людям, парализованным ниже пояса, создавая внешние протезы и экзоскелеты.

Идея производства недорогих 3D-печатных протезов для жертв наземных мин в Азии и Африке и других людей с ампутированными конечностями привела к созданию e-NABLE [67]. По их словам: e-NABLE — это сеть увлеченных добровольцев, использующих 3D-печать, чтобы протянуть миру «руку помощи». Сообщество — это «удивительная группа людей со всего мира, которые используют свои 3D-принтеры для создания бесплатных 3D-печатных кистей и рук для тех, кто нуждается во вспомогательном устройстве для верхних конечностей».Он «состоит из учителей, студентов, инженеров, ученых, медицинских работников, мастеров-мастеров, дизайнеров, родителей, детей, разведчиков, художников, филантропов, мечтателей, программистов, производителей и повседневных людей, которые просто хотят изменить мир к лучшему». Они создают, вводят новшества, изменяют дизайн и совместно используют протезов, которые можно распечатать на 3D-принтере. «Семейное древо» e-NABLE [68] показывает, насколько мощным может быть совместный дизайн с открытым исходным кодом.

В несколько ином режиме работы NotImpossible [2] предоставляет недорогие решения, создавая или модифицируя доступные решения, такие как 3D-печать, на платформе DIY с открытым исходным кодом, а также производит устройства для помощи жертвам войны или малоимущим ( ).

3D-печатные протезы ног, кажется, менее известны, но было предложено несколько моделей протезов (см., Например, [69, 70]). Andiamo [71] — компания, специализирующаяся на детских ортопедических изделиях, в основном, протезах ног.

Здесь стоит упомянуть 3D-печатные глазные протезы [72].

Интересным новым аспектом рынка протезов является их эстетика. Джоэл Гиббард, генеральный директор Open Bionic [73], заявил на PrintShow Berlin 2015, что перед тем, как начать бизнес, он начал расследование, спрашивая людей с ампутированными конечностями об их требованиях.Помимо очевидных ответов, таких как легкий вес и простота в эксплуатации, не было требований, особенно со стороны молодых людей с ампутированными конечностями, чтобы протез выглядел как настоящая рука; они предпочли, чтобы он выглядел как гаджет из «Звездных войн». И поэтому протезы на их веб-странице выглядят так, как будто они из Marvel, Disney Frozen или Star Wars (). В аналогичном настроении Самия Парвез из упомянутой Andiamo компании ответила на вопрос: «Что вы делаете с ортопедическим корсетом?» «Его можно либо спрятать под платье, либо украсить кристаллами Сваровского и носить с гордостью».

Протезы рук от Open Bionics. Предоставлено Open Bionics [73]

Захватывающие трехмерные печатные протезы рук, созданные детьми, можно увидеть на сайте Quartz [74].

История пациента Эрика Монгера, излечившегося от рака лица, которому пришлось жить с удаленной частью лица и получившим частично напечатанный на 3D-принтере протез (), особенно трогательна [75].

Имплантаты, кроме зубных и используемых в слуховых аппаратах

Сегодня несколько производителей выпускают высококачественные заменители / имплантаты для позвоночника [76, 77], бедра [78], таза [79], трахеи [80, 81], 75% человеческого черепа [82] и другие части тела.В 2014 году компания 4WEB напечатала и имплантировала 3000 спинных ферменных систем [83].

С другой стороны, большая часть этой области все еще представляет собой своего рода мастерство, как имплант челюсти для 83-летней женщины, изготовленный в 2012 году [84]. Имплантаты зависят от пациента в отношении их размера и формы, определяемых на основе данных медицинской визуализации, таких как рентгеновский снимок костей, компьютерная томография (КТ) [85, 86] и магнитно-резонансная томография (МРТ) [87], для кости, мягкие ткани и кровеносные сосуды.Индивидуализация имплантатов, напечатанных на 3D-принтере, для пациента представляет собой настоящую индивидуальность.

Имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, также применялись при лечении таких заболеваний, как диабет [88] и артриты [89].

Следует подчеркнуть, что существует пакет бесплатного программного обеспечения с открытым исходным кодом, 3D Slicer [90], для визуализации и обработки медицинских изображений, который может быть применен для 3D-печати. Это программная платформа, позволяющая анализировать и визуализировать медицинские изображения и проводить исследования.Программное обеспечение, доступное в нескольких операционных системах — Linux, MacOSX и Windows — поддерживает многомодальную визуализацию, включая магнитно-резонансную томографию (МРТ), компьютерную томографию (КТ), УЗИ (США), ядерную медицину и микроскопию, и не ограничивается специфический орган. Более того, он содержит двунаправленный интерфейс для устройств. Ограничений на использование нет, но слайсер не одобрен для клинического использования и предназначен для исследований. Полномочия и соблюдение применимых правил являются обязанностью пользователя.

Известно, что 3D-принтеры не только позволяют экономить время и деньги, но и могут придать таким медицинским имплантатам несколько желаемых свойств. Эти свойства могут включать сложные внутренние структуры, индивидуализированные элементы и лекарства, которые могут ускорить процесс заживления.

Как упоминалось выше, были выполнены хирургические процедуры с использованием нескольких типов имплантатов. В Польше пионерами, вероятно, были доктор Марцин Элгалал и профессор Богдан Валковяк из Лодзинского технологического университета и проф.Марцин Козакевич, руководитель клиники челюстно-лицевой хирургии в Лодзи, основавший лабораторию индивидуальных медицинских имплантатов [91] в технопарке Лодзи. Сначала они сделали черепно-лицевые имплантаты [92]. Они также используют титановую сетку, напечатанную на 3D-принтере, при реконструкции орбитального пола [93]. Методы, разработанные для черепно-лицевых имплантатов, будут применяться той же группой для проведения виртуального вскрытия трупа [94].

Имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, все чаще применяются в Польше. Такой информации много в газетах, иногда местных.Реконструкция челюстной кости пациенту проводилась в отделении челюстно-лицевой и пластической хирургии Университетской клиники г. Белосток. В больнице WAM в Лодзи был имплантирован протез нижней челюсти.

Применение 3D-печатных имплантатов для искалеченных животных [95], вероятно, стало гораздо более популярным, чем имплантаты для людей. Подсчитано, что в течение года около 10 000 собак, страдающих травмами или дегенерацией связок задних ног, получили имплантаты в Европе и США.С., говорится в пресс-релизе 3DS. Это большое количество отчасти объясняется гораздо менее строгими законодательными нормами в отношении медицинских процедур для животных, чем для людей, и тем фактом, что владельцы собак покрывают расходы на операции. В Польше протезы конечностей собак изготавливают и имплантируют в Варшавском технологическом университете [96].

Виртуальное хирургическое планирование

Методы визуализации важны в медицинской практике. Внедрение 3DP существенно улучшает хирургическое планирование.Компьютерная томография (КТ) и / или изображения МРТ позволяют получить подробную картину внутренних органов и анатомических частей. Их 3D-копии воспроизводят размер, вес и текстуру органов, что позволяет хирургам репетировать сложные процедуры на 3D-моделях. Японская компания Fasotec, купленная Stratasys, разработала модель влажной биотекстуры [97], реалистично имитирующую такие органы, как легкие, что позволяет хирургам и студентам практиковаться в выполняемых операциях.

На сегодняшний день планирование операции с помощью 3D-печатных моделей является широко распространенной процедурой.Чтобы назвать лишь некоторые из них, он помогал при пересадке всего лица [98, 99], первой пересадке почки от взрослого ребенку [100, 101], удалении почки [102] или опухоли печени [103] в больницах [104] , 105] и реконструктивной хирургии вертлужной впадины [106].

3D-печатные модели в обучении в сфере здравоохранения

Такие модели также используются в нескольких областях медицины в различных мастерских — в частности, в вышеупомянутых мастерских в Польше в Центре слуха и речи в Каетанах [51] () и в Малопольские семинары по УЗИ [107] ().Уже упоминалось об использовании влажной модели легкого с биотекстурой в обучении студентов-медиков [97].

Две трехмерные модели сердца открыты на уровне четырехкамерного изображения (слева — нормальное сердце плода; справа — сердце с синдромом гипопластической левого сердца на основе атрезии аорты). Предоставлено доктором M. Wiecheć MD, PhD

3DP медицинских устройств

Количество медицинских устройств, напечатанных на 3D-принтере, огромно и неуклонно растет. Среди них недорогой высококачественный стетоскоп , разработанный для бедных больниц в секторе Газа [40] (проект с открытым исходным кодом), лебедка , напечатанная на 3D-принтере, используемая в эндовенозной лазерной терапии (EVLT) для лечения удаления варикозного расширения вен [ 108], представленный польской компанией Zortrax на YouTube [109], устройство Multi-Sensory Perception Simulator (SPPS), разработанное Центром слуха и речи в Каетанах, Польша [110], стеклянная рамка s Вы можете заказать [111] или напечатать на 3D-принтере сами [112] или напечатать на 3D-принтере линзы .Последние были особой проблемой ввиду многослойной структуры 3D-распечаток, но стеклянный барьер был сломан [113].

Маркетинг напечатанного на 3D-принтере титанового устройства Fast-Forward Bone Tether Plate , которое облегчает менее инвазивную операцию на стопе и устраняет необходимость просверливания кости, было одобрено для использования FDA в коррекционной хирургии для лечения бурситов [ 114].

Пожилые люди помнят тяжелые и неповоротливые гипсовые слепки, которые пациенты иногда украшали рисунками и надписями.Сегодняшние модели , напечатанные на 3D-принтере, модели легкие и привлекательные [115]. Ортезы напечатаны на 3D-принтере польской компанией Fucco [116] ().

Ортез, напечатанный на 3D-принтере Fucco [116] © Х. Додзюк

Польская компания представила интересный проект очков Parsee [39] (), которые могут помочь людям с ослабленным зрением. Очки состоят из рамки, напечатанной на 3D-принтере, оснащенной IP-камерой (с интернет-протоколом) с кнопкой для фотосъемки, наушниками и аккумулятором, позволяющими пользователю распознавать и понимать окружающий мир.При нажатии кнопки создается фотография объекта или человека и отправляется в приложение на мобильном телефоне для распознавания. Затем, после распознавания, информация о тексте, формах, цветах и ​​лицах слышится человеком в наушниках. В настоящее время разрабатывается новая облегченная версия очков.

Прототип очков Parsee ( A ). Компания работает над его уменьшением ( B ) © Parsee company [39]

Представленные протезы, имплантаты и медицинские устройства — это лишь небольшая часть предлагаемого.Они показывают (1) полный потенциал персонализации, характерный для этой области; (2) как стоимость устройств иногда резко снижается за счет применения 3DP в качестве метода производства. Однако из-за монополизации нескольких компаний рынок слуховых аппаратов не продемонстрировал падения цен; (3) творчество, вызванное 3DP. Некоторые из предложенных устройств, такие как несколько необычная идея очков для слабовидящих [39], можно было изготовить и другим способом, но эта идея пришла к людям, активно работающим в 3DP, которые воспользовались преимуществами быстрого прототипирования, что это способ изготовления предусматривает.

Биопечать — печать живых тканей с использованием клеток в качестве чернил

Производство тканей человека с помощью 3D-печати клеток — захватывающая, быстро развивающаяся область перспективных приложений 3DP [117–120]. Основная цель 3D-биопечати на будущее — сократить дефицит предложения на рынке доноров органов. Однако нынешние достижения более скромны: было предложено важное приложение, так называемая лаборатория на кристалле, то есть высокопроизводительная трехмерная биопечать модель ткани exVive3D Liver для исследований, открытия лекарств и токсикологии [121]. .Недавно объявленная возможность биопринтинга с использованием стволовых клеток открывает новые возможности в этой области [120]. Впервые в мире [122] «разморозьте и используйте» биочувствительные элементы мезенхимальных стволовых клеток человека, предложенные шведской компанией-стартапом Cellink [123] и американской компанией по производству стволовых клеток RoosterBio [124].

Возможные и стандартизированные материалы, такие как биоматериалы, благоприятные для клеток, являются предпосылками для приложений трехмерной биопечати. До сих пор плоские ткани, такие как кожа [125], трубчатые структуры (например, трахея или уретра / мочевой пузырь) [126], а также полые и сложные твердые органы, такие как печень [127], подвергались трехмерной биопечати.Китайские исследователи сообщили о трехмерной биопечати тканей почек [128], ушей и печени [129], хотя они, похоже, не готовы к имплантации. Ведутся исследования по биопечати костей [130], хрящей и мышц [131] и других тканей.

Кроме того, появился новый интересный материал — самовосстанавливающееся биостекло, которое можно использовать в качестве замены хряща на 3D-принтере [132].

Трехмерная биопечать [117] была начата доктором Энтони Аттала из Института регенеративной медицины Уэйк Форест [133], который применил 3DP для производства тканей органов сердца и почек [134], и Габриэлем Виллардом из Оксфордского университета, который разработал bioprinter [135] и позже, печатая два слоя разных клеток, впервые наблюдали изменения образцов после печати, которые позже были названы 4D печатью [136].Недавно группа доктора А. Атала объявила о создании интегрированного принтера ткани и органа (ITOP), который может изготавливать стабильные тканевые конструкции любой формы в человеческом масштабе. Исследователи продемонстрировали возможности ITOP путем изготовления костей нижней челюсти и свода черепа, хрящей и скелетных мышц [137].

Organovo — одна из самых активных компаний в области 3D-биопечати. Сегодня невозможно сделать 3D-биопечать любого имплантируемого человеческого органа, но в Organovo напечатали ткани печени и почек.На основе ткани печени, состоящей из первичных человеческих гепатоцитов, звездчатых и эндотелиальных типов клеток, которые обнаруживаются в нативной человеческой печени, они разработали свою удивительную лабораторию на чипе, названную exVive3D Liver Model [138], с целью создания лекарственных препаратов. тестирование, которое стабильно в течение как минимум 42 дней и намного более эффективно, чем стандартные системы культивирования клеток печени 2D, предлагаемые промышленностью [139].

Косметическая компания L’Oréal начала сотрудничество с Organovo для создания 3DP моделей кожи для косметических испытаний [140] вместо использования людей или животных.

Из нескольких анонсированных 3D-биопринтеров есть недорогой биопринтер INKREDIBLE, разработанный шведским стартапом CELLINK, стоимостью 5000 долларов за менее дорогую модель или 9000 долларов за более сложную модель, использующий собственную биочерку с собственными клетками [141 ]. Этот принтер позволил CELLINK достичь потрясающего результата, при котором до 98% клеток остаются живыми при использовании собственной биочернилы на своем 3D-принтере.

Не совсем биопринтер, а устройство под названием Biopen, которое позволяет хирургам восстанавливать поврежденные кости и хрящи, «вытягивая» новые клетки непосредственно на кость в середине хирургической процедуры [142] ().

Оснащен специальной лечебной биочеркой, биоперой используется на модели кости © Университет Вуллонгонга, Австралия

3D-печатные органы для трансплантации все еще недоступны. Китайский исследователь из Университета Ханчжоу Дяньцзы, Сюй Минген, разработчик биопринтера «Регеново», предсказал, что полностью функциональные печатные органы могут быть возможны в течение следующих 10–20 лет [143].

Полиграфические препараты [35]

Расширяя свою идею о применении 3D-печати в химии, группа Ли Кронина применила свое 3D-печатное реакционное ПО для печати лекарственного препарата ибупрофен [144].С одной стороны, несколько приложений для печати лекарств, например для печати нестандартных доз для детей и пожилых людей. С другой стороны, с учетом возможности злоупотребления наркотиками высказывались резкие слова критики [145, 146].

Возможность 3D-печати лекарств с использованием загружаемых фармацевтических рецептов, напрямую загруженных в соответствующий 3D-принтер, будет иметь огромные последствия для фармацевтической промышленности, так же как загрузка музыки подорвала музыкальную индустрию.Этот пример показывает, какие серьезные юридические проблемы возникают при 3D-печати.

Первый препарат, напечатанный на 3D-принтере, Sprintam (леветирацетам для лечения эпилепсии), производимый и продаваемый Aprecia Pharmaceuticals, получил одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) [147]. 3DP позволяет изготавливать очень пористые таблетки, что позволяет вводить высокие дозы лекарства в одной таблетке. Такая таблетка быстро растворяется и легко принимается внутрь [148].

Новая техника ломает стереотипы для 3D-печати в

видео: исследователи перевернули традиционную 3D-печать, чтобы создать одни из самых сложных биомедицинских структур, продвигая разработку новых технологий для восстановления костей и тканей.Вместо того, чтобы напрямую создавать биоскаффолды, команда Университета RMIT напечатала на 3D-принтере формы с полостями с замысловатым рисунком, а затем заполнила их биосовместимыми материалами, а затем растворила формы. В этом видео показан заключительный этап метода — форма из клея ПВА растворяется в воде, и остается сложный биоламешок. посмотреть еще

Источник: Университет РМИТ

Исследователи перевернули традиционную 3D-печать, чтобы создать одни из самых сложных биомедицинских структур, продвигая разработку новых технологий для восстановления костей и тканей.

Развивающаяся область тканевой инженерии направлена ​​на использование естественной способности человеческого тела к самовосстановлению, к восстановлению костей и мышц, утраченных из-за опухолей или травм.

Ключевым направлением деятельности биомедицинских инженеров было проектирование и разработка трехмерных печатных каркасов, которые можно имплантировать в тело для поддержки повторного роста клеток.

Но сделать эти структуры достаточно маленькими и сложными, чтобы клетки могли нормально функционировать, остается серьезной проблемой.

Войдите в исследовательскую группу под руководством Университета RMIT, сотрудничающую с клиницистами больницы Святого Винсента в Мельбурне, Австралия, которые отказались от традиционного подхода к 3D-печати.