Шестая пара

В мире ветеринарной стоматологии есть нерешенная задача: коренные зубы слонов меняются всего шесть раз, а последняя, шестая пара стирается к 50–60 годам, лишая животное возможности пережевывать кору и ветки. Без нормального питания слон худеет и погибает от истощения.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Варвара Лапазова и Мария Поликарова, выпускницы естественно-научной вертикали школы №2045, взялись за эту проблему всерьез. Их проект по аддитивному протезированию уже прошел апробацию на конференциях «Старт в медицину», «Инженеры будущего» и «Наука для жизни». Сейчас Мария продолжает обучение в медицинском классе, Варвара — в московском педагогическом колледже, но их исследовательская группа продолжает искать решение: от цифрового моделирования в CAD до выбора биосовместимых материалов, которые не сотрутся под тоннами жевательного давления. Как устроен уникальный зубной аппарат хоботных и почему слонам нельзя просто вкрутить имплантат, они рассказали «Ъ-Науке».

— Почему разрушение зубов у слонов влияет на продолжительность жизни сильнее, чем у других животных? С чем это связано?

— У слонов коренные зубы меняются всего шесть раз за всю жизнь. Когда стирается последняя, шестая пара, новые зубы уже не вырастают. Но они нужны слону, чтобы пережевывать жесткую пищу: кору, ветки, траву и древесину. Если зубы сильно изношены, слон уже не может нормально есть и получать нужные вещества. Из-за этого животное начинает худеть, слабеть и может погибнуть от истощения. У многих других животных зубы меняются чаще. Когда мы узнали, что старый слон может погибнуть от голода из-за стертых зубов, мы решили посвятить этому наш проект. Для нас это история не только о животных, но и о сострадании и помощи тем, кто сам не может о себе позаботиться.

— В чем заключается уникальность зубной системы слона и как эта особенность усложняет задачу протезирования по сравнению с лечением, например, собак или лошадей?

— У слонов зубы меняются необычным способом. У людей, собак и лошадей новые зубы обычно растут снизу вверх и стоят на одном месте в челюсти. А у слона новый коренной зуб появляется глубоко в задней части челюсти и медленно «едет» вперед по горизонтали, постепенно выталкивая старый зуб. Поэтому слону намного сложнее поставить протез. Например, собаке или лошади ветеринар может закрепить в челюсти титановый имплантат. Кость со временем плотно соединяется с ним, и он хорошо держится. Со слоном такой способ не сработает. Новый настоящий зуб, который движется из глубины челюсти, может вытолкнуть имплантат. Один коренной зуб слона может весить до девяти килограммов, поэтому он способен сильно травмировать челюсть и десны. Есть и другая проблема: слон каждый день пережевывает очень жесткую пищу. Обычные материалы для протезов, например керамика или композит — специальный прочный материал для пломб,— быстро сотрутся. Протезирование коренных зубов слонов пока невозможно именно из-за того, что нет легких материалов, способных выдержать давление и не разрушить десну. Наша волонтерская группа как раз ищет решение.

— С какими главными анатомическими вызовами вы столкнулись при создании цифровой модели?

— Создать цифровую модель зуба слона оказалось очень сложно. Это похоже на попытку сделать деталь для огромного механизма без точных чертежей и готовых измерений. Зуб слона очень большой, но при этом у него сложное строение. Его жевательная поверхность неровная и состоит из отдельных эмалевых пластин, изогнутых в виде петель и прочно скрепленных между собой специальной костной тканью — цементом. Все эти детали нужно очень точно повторить в компьютерной программе. Даже небольшая ошибка может нарушить прикус, тогда слон не сможет нормально пережевывать жесткую пищу.

— Какие материалы для прототипа сравнивались и почему выбор пал на тот, который использован в текущей версии? В чем сложность подбора биосовместимых материалов и какие риски несет использование неподходящего пластика в ротовой полости?

— Для тестовой модели мы выбрали PLA-пластик — полилактид. Это распространенный материал для 3D-печати: он недорогой, с ним легко работать, и его можно печатать на обычном учебном FDM-принтере. PLA нужен нам только для проверки формы, размера и того, как части модели соединяются друг с другом. Для настоящего протеза для слона PLA не подходит. Слон постоянно жует грубую и жесткую пищу, поэтому такой пластик быстро сломается или сотрется. Кроме того, материал для реальной установки должен быть биосовместимым, то есть безопасным для организма и не вызывать вредной реакции. Подобрать такой материал очень трудно. Пока универсального материала для

протезирования зубов слонов нет, поэтому ученые продолжают искать подходящее решение.

— С какими физическими нагрузками должна справляться коронка и как это влияет на требования к прочности материала?

— Коронка у слона должна быть очень прочной, выдерживать экстремальные нагрузки весом несколько тонн. Слон каждый день долго пережевывает жесткую пищу: кору, ветки и грубые растения. Его зубы не просто сжимают еду, а двигаются в стороны и перетирают ее, как жернова. Нагрузка повторяется много раз: слон жует каждый день, годами. Поэтому материал не должен трескаться, стираться или менять форму.

— В чем суть перехода на SLA-печать на следующем этапе? Какое преимущество этот метод даст для точности коронки по сравнению с FDM-печатью?

— FDM-принтер создает модель из расплавленной пластиковой нити: он выкладывает ее слой за слоем. SLA-принтер работает по-другому: лазер засвечивает жидкую смолу, и она затвердевает именно там, где нужна будущая деталь. Главное преимущество SLA — более точная и гладкая печать. Это особенно важно для коронки, потому что она должна точно повторять форму зуба. SLA делает края ровными, после такой обработки почти не нужно вручную шлифовать деталь. Также метод снижает риск появления больших щелей между коронкой и зубом.

— Учитывается ли в проекте возможность крепления коронки без повреждения оставшейся части зуба или десны?

— Да, это одна из главных задач проекта. Точная цифровая модель помогает создать коронку, которая опирается на сохранившуюся часть разрушенного зуба и не требует обточки. При формировании оставляют безопасное расстояние между краем коронки и десной — 1,5–2 мм, поэтому десна не травмируется. Зафиксировать конструкцию можно специальными ветеринарными цементами — материалами, которые приклеивают коронку к зубу и безопасны для тканей полости рта.

— Почему текущие ветеринарные решения для слонов сложны и дороги и как создание цифрового прототипа может удешевить процесс протезирования в будущем?

— Лечение зубов у слона — это не обычный поход к ветеринару. Слон очень большой, поэтому нужны анестезиологи, ветеринарные стоматологи и специальное оборудование. Наркоз для слона требует особой осторожности. Когда такое тяжелое животное долго лежит, у него могут возникнуть проблемы с дыханием, давлением и кровообращением. Поэтому важно сокращать время любых процедур, если это возможно.

При традиционном протезировании нужно сделать слепок зуба — получить его точную форму с помощью специального материала. Потом по этому слепку создают физическую модель, делают пробный вариант и только затем изготавливают коронку.

Это требует много материалов и ручной работы, нескольких этапов проверки, времени на изготовление в лаборатории и повторных процедур с животным. Поэтому такая работа может быть долгой и дорогой.

Цифровой подход работает иначе: зуб сканируют или создают его точную 3D-модель на компьютере. Затем в программе проектируют коронку и отправляют файл на 3D-принтер. Такой способ может уменьшить число промежуточных этапов: не нужно делать столько физических слепков, гипсовых моделей и пробных восковых вариантов. Цифровые методы в стоматологии сокращают расход материалов и время изготовления коронки с нескольких недель до нескольких часов. Наша цель — сделать технологию общедоступной и дешевой, чтобы экологи по всему миру могли бесплатно скачивать файлы моделей и оперативно спасать животных.

— Можно ли адаптировать разработанный алгоритм для помощи другим крупным млекопитающим в зоопарках?

— Да, сам принцип можно адаптировать для других крупных животных в зоопарках и заповедниках. В нашей компьютерной модели можно легко менять параметры, подстраивать их под морфологические особенности челюстей носорогов, гиппопотамов или крупных кошачьих — львов, тигров, леопардов.

Подготовлено при поддержке департамента образования и науки Москвы