3D принтер. Технологии 3D-печати.Использование в медицине

 

Реферат

по  теме:

3D принтеры  в медицине. Технологии 3D-печати.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Введение. 3

Будущее за 3D-технологиями! 4

Трехмерная печать 4

Технологии 3D 6

3D технологии и печать в медицине. 8

СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ 3D-ПРИНТЕРОВ 12

Распространение 3D-печати в России. 13

Примеры внедрения технологий трехмерной печати на российских предприятиях. 13

Медицинские учреждения здравоохранения г.Пензы 14

Заключение. 15

Вывод 16

Список литературы 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

3D печать занимает достаточно  высокое положение в современном  мире. В настоящее время почти  все отрасли человеческой деятельности  используют возможности 3D  печати. Особое распространение  3D  печать  получила в медицине.

 

Актуальность выбранной темы связана с тем, что создание прототипа или трехмерной модели всегда было весьма долгим и сложным процессом, и сопровождалось, как правило, большим количеством ошибок. Современные технологии позволяют с высокой точностью, с наименьшими затратами и в кратчайшие сроки создавать 3D-модели. Для этих целей используются 3D принтеры, причем другие решения не обеспечивают такой же точности и скорости выполнения работ.

 

Темой работы является: 3D принтер. Технологии 3D-печати.Использование в медицине.

 

Цель данной работы - дать основные представления о 3D принтерах,3D технологиях, их структуре и использовании в медицине.

 

Объект исследования – современные  принтеры

 

Предмет исследования – технологии, используемые в 3D-принтерах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Будущее за 3D-технологиями!

 

Трехмерная  печать (3D-печать) – это уже далеко не научная фантастика, а вполне себе рутинный метод, широко применяемый в промышленном моделировании. Когда-то компьютеры перешли из стен крупнейших лабораторий практически в каждый дом. Теперь и 3D-печать движется в сторону рядового потребителя.

Первые применения технологии 3D-печати относятся к 1980-м годам. Тогда  трехмерные принтеры были громоздкими  и чрезвычайно дорогими, а область  их применения – сильно ограниченной, да и самого термина – 3D-печать –  еще не существовало. Так что же такое 3D-печать? 3D-печать это процесс создания физических объектов-прототипов из цифровых 3D-моделей полученных путем 3D-моделирования в любой САПР(Система автоматизированного проектирования (САПР) — это организационно-техническая система, состоящая из совокупности комплекса средств автоматизации проектирования и коллектива специалистов подразделений проектной организации, выполняющая автоматизированное проектирование объекта, которое является результатом деятельности проектной организации.)или CAD-программе. Трехмерная модель прототипа в формате STL отправляется на 3D-принтер, который слой за слоем образует реальный объект. Трехмерная печать также известна под терминами выращивание, быстрое прототипирование, настольное производство моделей, аддитивное изготовление прототипов или прямое цифровое производство.

 

Родоначальником современных установок  по формированию 3D-объектов можно считать  американца Чарльза Халла, который в 1986 году запатентовал первую в мире установку стереолитографии (SLA).

Конечно, она была далека от того, чтобы  называться 3D-принтером, но основные идеи послойного создания объемных фигур  были заложены именно в ней.

В том же году Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый коммерческий 3D-прибор, он был назван Stereolithography Apparatus. В 1988 году была разработана модель SLA-250, она стала первой машиной для широкого круга пользователей.

Еще одним важным «лицом» 3D-печати является компания Stratasys и ее основатель Скотт Крамп, который вместе с женой в 1990 году стал автором одного из способов трехмерной печати – моделирования методом наплавления.

Современная история 3D-принтеров началась в 1993 году, когда была создана компания Solidscape для производства струйных принтеров – предшественников 3D-принтеров. Выражение «3D-печать» возникло в знаменитом Массачусетском технологическом институте лишь в 1995 году, когда двое студентов – Джим Бредт и Тим Андерсон модифицировали «плоский» струйный принтер так, чтобы он выводил изображения не на бумагу, а в специальную емкость и делал их объемными. Зарегистрированный патент используется компаниями Z Corporation(создана Бредтом и Андерсоном) и ExOne. Эта технология используется и по сей день в 3D-принтерах, выпускаемых компанией ZCorp.

 

Еще каких-то 10 лет назад люди не могли подумать, что можно будет «скачивать» физические объекты из интернета и «распечатывать» их на принтере. Современные технологии позволяют делать это с легкостью. Рассмотрим, каким образом реализуется данный процесс.

 

Разумеется, речь идет не о волшебной  материализации объекта скачанного из интернета, а о его печати на специальном 3D - принтере. То, что технологии в мире существуют разные, в том  числе и засекреченные, знают  все. Но то, для осуществления чего раньше требовался небольшой заводик (пусть и не свечной), теперь доступно в домашних условиях. Мы говорим  о печати объемных объектов, которая  теперь доступна простым пользователям  в домашних условиях. Что такое 3D-принтер, это аппаратное устройство, на котором реальный объект создается сразу в трех измерениях. 3D принтер похож на знакомый офисный 2D принтер, печатающий изображение на бумаге. Принципиальное отличие в том, что 3D-принтер создает модели слой за слоем еще и по оси Z. Именно из-за послойного построения весь процесс называют аддитивным. 

Однако тут сразу возникает  несколько вопросов относительно того, могут ли эти объекты быть разноцветными  и насколько они прочны. В зависимости  от вида принтера, технологии печати и  используемого материала, напечатанные элементы могут быть разноцветными  и довольно прочными, способными выдерживать  умеренные нагрузки.

 

В основе технологии лежит струйная печать, выполняемая блоком головок  по порошку на гипсовой основе. 
При этом три головки такого Z-принтера отвечают за формирование цвета будущей модели, а четвертая содержит прозрачный клей, обеспечивающий надежное послойное склеивание частиц порошка. Эта технология в настоящее время достаточно широко применяется для промышленного 3D-моделирования, хотя и не лишена определенных недостатков, главным из которых является невысокая прочность модели и необходимость ее обработки после изготовления.

Следующим этапом развития 3D-прототипирования стало появление технологии фотополимерной струйной печати PolyJet. Суть ее заключается в том, что головка принтера наносит послойно слой фотополимера, который тут же затвердевает под действием ультрафиолета. Эта технология и оборудование значительно дешевле, к тому же позволяют производить 3D-печать не только моделей, но и готовых изделий с очень высокой точностью.

Принтеры, выпускаемые под маркой PolyJet, в настоящее время являются наиболее доступными по цене, и их уже вполне можно отнести к обычному офисному оборудованию.

 

Технологии 3D -печати в настоящее время развиваются очень стремительно, и появляются модели, которые уже вполне доступны по цене для использования в малом офисе и даже дома. К ним относятся 3D-принтеры, осуществляющие печать путем послойного наплавления полимера. Конечно, большие модели на таких устройствах получить будет сложно, но для разработки моделей сувенирной продукции или ювелирных изделий, а также для решения различных дизайнерских задач их можно успешно использовать.

3D-печать может осуществляться  разными способами и с использованием  различных материалов, но в основе  любого из них лежит принцип  послойного создания (выращивания)  твёрдого объекта. Существует множество технологий 3D печати. Их основные различия состоят в том, каким образом создаются слои из которых формируется законченный прототип. На сегодня различают 4 типа технологий трехмерной печати:

• экструдирование – выдавливание расплавленного материала;
• гранулирование – склеивание или спекание частиц материала;
• ламинирование – склеивание слоев материала с последующим вырезанием;
• фотополимеризация – отверждение полимера УФ или лазерным излучением

Подобно тому, как на обычном принтере можно печатать листы бумаги с  разными текстами, так и в случае трехмерной печати можно задавать индивидуальные параметры объекта и получать предметы самой различной формы  с высокой точностью.

Для изготовления предметов  могут использоваться различные материалы. Например, АБС-пластик, PLA-прастик, полиамид (нейлон), стекловолокно полиамида, эпоксидные смолы (в стереолитографии), серебро, титан, сталь, воск, фотополимеры и поликарбонаты. Теоретически с помощью 3D-принтера можно напечатать любой предмет, который есть в доме: от столовой ложки до напольного коврика со сложной фактурой. 3D-печать хороша для промышленности: с ее помощью можно «отливать» корпусные детали, которые сложно или долго получать другими способами, например, фрезерованием. Кроме того, с помощью 3D-печати можно получить изделия, которые в принципе невозможно получить другим методом, например, отпечатать сферу, находящуюся внутри другой сферы. Никаких геометрических ограничений для 3D-печати не существует.

 

 

 

На сегодняшний день 3D-принтеры, в зависимости от своего назначения могут быть довольно компактными  устройствами. По мере того как индустрия  развивалась, уменьшались не только размеры но и стоимость устройств. Если изначально они были доступны только для крупного бизнеса, то сегодня  такой принтер доступен и может  использоваться мелкими предпринимателями  и даже в домашних условиях.

Итак, современные 3D-принтеры могут  быть полезны буквально абсолютно  всем: проектным бюро, конструкторам, рекламщикам, художникам и простым пользователям для домашнего использования. Для медицины 3D печать является актуально т.к иногда речь идёт буквально о спасении человека в короткие сроки, поэтому 3D технологиям в данной сфере получила своё развитие.

 3D технологии и печать в медицине.

 С помощью 3D-печати  можно изготовить элементы протеза,  необходимые для использования  в ортопедии или стоматологии. Так, в начале 2012 года 83-летней  женщине из Голландии вместо  челюсти, разрушенной раком, имплантировали  титановую челюсть, отпечатанную  целиком на 3D-принтере.

Еще «Газета.Ru» рассказывала об американской девочке Эмме, элементы экзоскелета для которой были напечатаны с помощью принтера, разработанного компанией Stratasys. Эмма Лавель из Филадельфии страдала врожденным артрогрипозом, из-за которого она совершенно не могла шевелить руками, ее плечевые суставы были повернуты внутрь, и она могла двигать лишь большим пальцем. Напечатанные на трехмерном принтере элементы внешнего скелета, которые Эмма назвала «мои волшебные руки», дали ей возможность играть, рисовать и обнимать родителей.

 

 

 

 

 

На 3D-принтере напечатали уши  для пересадки пострадавшим от  ожогов

Летом 20103г исследователи из китайского университета Hangzhou Dianzi University представили 3D-принтер Regenovo, который в отличие от большинства принтеров, использующих металл или пластик, работает с живой тканью. Результатом работы ученых стали уши, которые можно имплантировать пострадавшим, например, от ожогов. Так же, в начале года появлялись сообщения, о том, что сотрудникам Нью-Йоркского Cornell University in Ithaca удалось создать человеческую печень. 

И уши, и печень являются не очень  сложными органами для 3D-печати, так  как не обладают сложной внутренней структурой.  

 

3D-печать в стоматологии  и хирургии

Более распространено использование 3D-печати в стоматологии и хирургии. Так, в феврале 2012 года специалисты бельгийской компании Biomedics имплантировали распечатанную на 3D-принтере титановую челюсть 83-летней пациентке. Челюсть пациентки была значительно повреждена и требовалась полная замена. Стандартными методами челюстно-лицевой хирургии (классическая микрохирургическая реконструкция) эту операцию пришлось бы делать несколько дней, неоднократно применяя анастезию, что крайне опасно в столь преклонном возрасте пациента.Методом 3D-печати удалось изготовить цельный имплантант за несколько часов и затем за несколько часов единственной операции установить на место.

Титановый имплантант весил 107 грамм, что на 30 грамм тежелее естественной костной челюсти пациента, но к этому изменению пациент сможет легко привыкнуть. На изготовление 1 мм высоты имплантанта потребовалось 33 слоя титанового порошка, поэтому полноценная деталь содержит несколько тысяч слоёв. Благодаря технологии 3D-печати сократилось не только время производства имплантанта, но и уменьшился объём материалов для готовой челюсти. Титан был покрыт биокерамическим слоем, совместимым с тканями пациента.

 

3D-модели раковых опухолей  позволяют лучше понять причины  рака

3D-принтеры можно использовать в сочетании со сканами системы автоматизированного проектирования для распечатывания клона опухоли перед операцией, с тем чтобы хирурги точно знали, с чем именно им придется иметь дело и могли подготовиться к операции, "порепетировать" её ход на пластиковой модели.  
3D-модели также используются для изучения процессов развития раковой опухоли: ученые из Техасского университета полагают, что к раку приводит механическая деформация клеток. Для доказательства своей теории они построили 3D-модель развития раковой опухоли, в которой был продемонстрирован процесс изменения связей между клетками, в результате чего те начинали бесконтрольно делиться и образовывать опухоль.

 

Уже сейчас можно получить четкую копию, например, человеческого черепа. Исходный объект послойно сканируется, затем «переводится» на язык многоугольников, и с помощью 3D-принтера его можно  воссоздать с заданной точностью.

А можно ли на 3D-принтере печатать не только элементы скелета, но и органы? Ответ на этот весьма, как показалось бы лет десять назад, странный вопрос сейчас уже утвердительный.

Первые испытатели, кому пришла в голову идея напечатать органы, заряжали картридж 3D-принтера клетками вместо чернил и выкладывали их на подложку слой за слоем. Но без постоянной подпитки клетки гибнут раньше, чем закончится печать. Летом 2012 года биотехнологи из университета Пенсильвании, Гарварда, Массачусетского технологического института и Кембриджа, статья которых появилась в журнале Nature Materials, нашли выход из ситуации: они стали наращивать ткань на каркас из сахарных трубочек, которые подменяют собой сеть кровеносных сосудов.

Отпечатанные трубочки образуют «скелет» будущей печени или другого органа. Его заливают гелем, содержащим живые  клетки крысиной печени.

Специальные белковые молекулы «привязывают»  клетки к стенкам трубочек – так  получаются заготовки капилляров. После  этого авторы прокачивали по трубочкам  питательную жидкость, имитирующую  кровь. Растворяя сахар, эта жидкость избавляет искусственную ткань  от «строительных лесов» и одновременно не дает клеткам проголодаться.