Медицинские изделия точно по мерке

Все видели фотографии недоношенных детей в реанимационных отделениях: крошечные сморщенные создания, некоторые из которых весят немногим более полкило, в носы, рты и вены которых вставлены тонкие пластиковые трубочки. Эти трубочки или катетеры доставляют в организм необходимые для поддержания его жизнедеятельности кислород, питательные вещества, жидкость и лекарственные препараты.

Основная проблема современных катетеров в данном случае заключается в том, что они имеют стандартные размеры и формы, что не позволяет решить проблемы всех недоношенных детей. Доцент северо-восточного университета Рэндалл Эрб (Randall Erb) отмечает, что такие дети имеют разные размеры и индивидуальные комплексы проблем. Возможность создания персонализованного катетера, геометрия которого соответствовала бы особенностям организма конкретного пациента, позволила бы вводить такой катетер до определенной критической глубины без необходимости прокалывания вен, а также увеличить скорость введения необходимых веществ.

Работающие под руководством Эрба исследователи предложили использовать для этого инновационную технологию трехмерной печати, использующую магнитные поля для формирования из композитных материалов – смесей пластика и керамики – персонализированных изделий медицинского назначения. Получаемые с помощью новой технологии продукты, в том числе катетеры, будут одновременно прочнее и легче современных аналогов, а их персонализированная форма обеспечит максимальное прилегание.

По словам авторов, другие группы уже использовали композитные материалы для трехмерной печати, однако новая технология отличается тем, что позволяет регулировать пространственное расположение керамических волокон и, соответственно, получать материал с нужными механическими свойствами.

Возможность такого регулирования исключительно важна при создании продуктов со сложной структурой, таких как персонализированные миниатюрные устройства медицинского назначения. Один такой продукт может иметь множество элементов, таких как углы, изгибы и отверстия. Для обеспечения долговечности изделия каждый из таких элементов должен быть усилен керамическими волокнами, расположенными в строго определенной конфигурации. Эта стратегия обеспечивает прочность многих природных композитных материалов, начиная от костей и заканчивая древесиной.

Определяющим компонентом разработанной авторами технологии трехмерной печати являются магниты, роль которых в формировании композитных материалов авторы описали в более ранней работе, опубликованной в 2012 году в журнале Science.

Предложенный исследователями процесс начинается с намагничивания керамических волокон путем нанесения на них небольшого количества порошка оксида железа, применение которого в методах доставки лекарственных препаратов одобрено Управлением по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США (FDA). После этого отдельные фрагменты композитного материала, представляющего собой взвесь керамических волокон в жидком пластике, подвергаются воздействию очень слабых магнитных полей, что обеспечивает пространственное распределение керамических волокон, соответствующее спецификациям создаваемого продукта. Видеозапись процесса можно посмотреть здесь. 

На последнем этапе процесса из композитной массы с помощью метода стереолитографии, заключающегося в послойном затвердении пластика под действием управляемого компьютером лазерного луча, формируется конечный продукт.

Авторы считают, что их разработка открывает новое направление материаловедения, так как она демонстрирует возможность теоретического определения конфигураций волокон, обеспечивающих улучшение механических свойств материала, и создание таких сложных конфигураций.

Статья Joshua J. Martin et al. Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing опубликована в журнале Nature Communications.

Евгения Рябцева

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Northeastern University:
Researchers develop novel 3-D printing method for creating patient-specific medical devices.