С помощью 3D-принтеров уже можно напечатать ложку или даже робота, а через несколько лет трехмерная печать сможет воспроизводить, например, печень и другие человеческие органы. Отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает об использовании 3D-принтеров в медицине и попытках развития трехмерной печати в России.

Никаких геометрических ограничений

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.

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.

Рис. 1. Чарльз Халл с новой версии своего 3D-прибора // 3D Systems.

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.

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.

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, высокопрочные термостойкие пластмассы. 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.

Печень из принтера

С помощью 3D-печати можно изготовить и 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.

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.

Рис. 2. «Cкелет» будущей печени из сахарных
трубок (красный цвет) и гель из живых клеток
печени (зеленый цвет) // Jordan S. Miller.

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.

Сосчитав клетки в начале эксперимента и восемь дней спустя, ученые обнаружили, что выживших среди них оказалось заметно больше, чем, к примеру, в питательном геле, где принято содержать клеточные культуры. Исследователи также показали, что этот подход хорошо работает для различных типов клеток и позволяет независимо контролировать геометрию «органа» и выбранный тип клеток – и выстилающих сосуды-каналы, и заполняющих пространство между ними. Что касается предыдущих экспериментов по «печати печени», то там массовая гибель клеток начиналась уже в первые часы – и хуже всего приходилось тем, которые лежали глубже относительно поверхности.

Пока трехмерная печать не используется в медицине повсеместно, но у данного направления есть большой потенциал.

Из совсем, казалось бы, «безумных» идей можно вспомнить рассказ известного генетика Крейга Вентера о создании «телепортера» – конвертера, способного переводить биологическую информацию в цифровую, а также биопринтера, превращающего эту информацию в живую трехмерную молекулу.

3D-печать в России

В настоящее время посмотреть на действующий 3D-принтер в России проще всего в лаборатории персонального цифрового производства (FabLab – название представляет собой сокращение термина «фабрика-лаборатория»). Первый в мире FabLab появился несколько лет назад в конце XX века в MIT, его создателем стал профессор Нил Гершенфельд. Первая же такая лаборатория в России появилась несколько месяцев назад в НИТУ МИСиС при участии MIT и Российской венчурной компании. «Молодым людям – уже начинающим инноваторам – нужно свою инновационную идею на чем-то проверить, убедиться, что она работает, то есть изготовить хотя бы работающий макет, – пояснил «Газете.Ru» Иван Бортник, председатель наблюдательного совета Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. – Раньше ребята собирали детекторные приемники, но для этого нужно, чтобы было куда пойти, чтобы был руководитель кружка «умелые руки». И для инновационной деятельности нужно получить возможности, и у нас они теперь есть, хотя оснащение пока довольно слабое. У нас есть сейчас лишь остатки советской системы – клубов «Юный техник», студенческих КБ, но в основном все это связано с робототехникой, и мы сидим чаще всего на игле «лего»: не я делаю что-то сам, а я собираю из готового комплекта деталей.

А идея Нила Гершенфельда – сделай сам, и сделай не с помощью напильника и ножовки, а мы должны тебе дать в руки высокотехнологичное оборудование.

В 2000 году он сказал: сегодня высокотехнологичное оборудование, которое раньше было доступно только крупным компаниям, стало дешевым, безопасным, компактным и может быть доступно для ребенка. И он сегодня может делать деталь из пластмассы не ножовкой, а лазером, безопасным и высокотехнологичным, может работать на настольном токарном станке с системой программирования, сделать модель на 3D-принтере. И потом он придет на производство – а оно оснащено именно такого рода техникой, и он должен быть к ней готов, он должен привыкнуть с детства с ней работать. И сегодня эта техника доступна, стандартный «фаблабовский» комплект стоит 3 миллиона рублей».

На ниве «фаблабов» начались и отечественные разработки в области 3D-печати – в Зеленограде созданы и уже выпущены в продажу первые отечественные 3D-принтеры. К сожалению, это лишь очень средние по мировым меркам устройства.

Увы, пока никак не развивается в России и медицинская трехмерная печать.

«Технология биопечати, когда с помощью 3D-принтера живыми клетками можно напечатать органы, думаю, будет коммерциализована в течение 5–6 лет. Однако это будут не российские разработки, – признает Владимир Кузнецов, руководитель проекта «Фаблаб», расположенного в МИСиС. – Вообще нет и не было ни одной отечественной компании, которая выпускала бы какое-либо серьезное оборудование для прототипирования с самого вообще момента появления такого термина. В России пока есть лишь небольшие фирмы, которые используют open source решения зарубежных компаний, вроде BFB – это принтер, который появился благодаря международному open source проекту. Инициативная группа, распределенная по всему миру, поставила себе задачу сделать доступное устройство быстрого прототипирования, 3D-принтер, который сможет производить сам себя. В результате работ по этому проекту были найдены доступные технологические решения, которые сейчас тиражируются.

Но ни о каких серьезных собственных разработках в России на эту тему говорить не приходится.

У нас есть институт лазерной техники – они выпускали и до сих пор выпускают установки стереолитографии, но опять-таки не могу сказать, что они очень оригинальные».