Nowy materiał, strukturą – porowatością i trwałością – przypominający ludzką kość, może być wykorzystywany m.in. do szybkiego druku 3D indywidualnie dopasowanych endoprotez i implantów. – W przyszłości, dzięki takiemu rozwiązaniu, lekarze będą mogli wydrukować na miejscu, w szpitalu, implant idealnie dopasowany do każdego pacjenta. To już nie jest science fiction. To kwestia czasu – mówi dr hab. inż. Joanna Ortyl, prof. Politechniki Krakowskiej. Ceramiczne żywice z PK, wyróżniające się trwałością oraz łatwym i tanim sposobem produkcji, będzie też można wykorzystywać w innych branżach – przemyśle lotniczym czy motoryzacyjnym.
Innowacyjne materiały dopasowane do potrzeb pacjentów
Projekt pn. „Innowacyjne porowate materiały ceramiczne drukowane w technice DLP z zastosowaniem wysokosprawnych inicjatorów fotochemicznych dedykowanych do integracji z tkanką kostną” ma szansę zmienić sposób, w jaki powstają implanty i protezy kostne. W pierwszej kolejności wychodzi naprzeciw spersonalizowanym potrzebom pacjentów ortopedycznych. ¬– W przyszłości z naszej technologii będą mogły korzystać przede wszystkim osoby z chorobami zwyrodnieniowymi stawów, po urazach lub z ubytkami po zabiegach onkologicznych, które wymagają trwałych, lekkich i indywidualnie dopasowanych implantów ceramicznych – wymienia kierująca projektem dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej PK oraz Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk.
W interdyscyplinarnym zespole pracują nad rozwiązaniem naukowcy kilku jednostek naukowych, w tym głównie z Laboratorium Fotochemii i Spektroskopii Optycznej WIiTCH PK z grupy badawczej dr hab. inż. Joanny Ortyl, prof. PK. W skład zespołu wchodzą naukowcy, doktoranci i studenci Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki: mgr inż. Magdalena Jankowska, mgr inż. Weronika Wałczyk, dr inż. Andrzej Świeży, mgr inż. Małgorzata Noworyta, inż. Barbara Sajdak, inż. Aleksandra Barczyk oraz jako konsultant – mentor prof. PK Joanna Ortyl oraz dr inż. Anna Jarzębska i dr inż. Łukasz Maj, pracownicy Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie.
Jak mówi dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga, rozwój zastosowań druku 3D w medycynie zrewolucjonizował konwencjonalne techniki fabrykacji implantów ortopedycznych i przyczynił się do zwiększenia udziału spersonalizowanych rozwiązań, dopasowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta. A potrzeby rosną. Tylko w Polsce co roku wykonuje się ok. 60 tys. zabiegów endoprotezoplastyki stawu biodrowego, a ta liczba z roku na rok się zwiększa. Rośnie też zapotrzebowanie na implanty o wysokich właściwościach użytkowych. Do najnowszych rozwiązań należą ceramiczne endoprotezy stawu biodrowego, które cechuje wysoka biotolerancja, duża odporność na ścieranie, odporność na korozję i porowatość. – Protezy ceramiczne są bardziej wytrzymałe i posiadają dużo większą żywotność w porównaniu do ich metalowych odpowiedników. Jednak proces ich wytwarzania jest skomplikowany, co podraża koszty produkcji i ogranicza ich dostępność – mówi dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga.
Fotoutwardzalne żywice z drukarki 3D – bezpieczne, szybkie, ekologiczne
Odpowiedzią krakowskich naukowców na zapotrzebowanie rynku na spersonalizowane implanty ceramiczne o obniżonych kosztach fabrykacji jest zastosowanie do ich produkcji technik addytywnych, czyli druku 3D. – Oprócz skrócenia czasu fabrykacji i redukcji kosztów ta metoda zapewni również dopasowanie konstruktów pod indywidualne potrzeby pacjenta. Mamy więc nadzieję, że nasze prace doprowadzą do zwiększenia dostępności usług endoprotezoplastyki, obniżenia cen implantów ceramicznych, a w finale przyczynią się do polepszenia jakości życia pacjentów – mówi dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga.
Jednym z kluczowych aspektów projektu była plan stworzenia materiału, wiernie odwzorowującego porowatą strukturę kości. – W projekcie wykorzystujemy bioceramikę opartą na tlenku cyrkonu, znaną z wyjątkowej wytrzymałości mechanicznej i odporności na ścieranie. Kość nie jest jednorodna – ma złożoną, porowatą budowę. Staramy się naśladować naturę, aby implant funkcjonował tak dobrze jak naturalna tkanka kostna. Druk 3D pozwala nam projektować gradientową porowatość i odwzorowywać strukturę wewnętrzną kości z niezwykłą precyzją – tłumaczy prof. PK Joanna Ortyl.
Jak dodaje dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga, ceramika jest biozgodna w kontakcie z tkankami. Nie wywołuje reakcji alergicznych, nie jest toksyczna i nie będzie odrzucana przez organizm. – Co więcej, dzięki wysokiemu współczynnikowi tarcia dłużej zachowuje swoje właściwości niż materiały metaliczne – wyjaśnia badaczka.
Opracowana w ramach prac krakowskich naukowców żywica ceramiczna, utwardzana światłem, pozwoli na druk materiałów ceramicznych techniką DLP (Digital Light Processing), co zapewni nie tylko precyzję druku i jego wysoką jakość, ale też wierne odwzorowanie kształtów. Metoda pozwoli więc tworzyć implanty „szyte na miarę”, dobrze dopasowane do anatomii pacjenta. – Możemy zeskanować ubytek kostny i wydrukować implant dopasowany do konkretnego pacjenta. To ogromna zaleta, zwłaszcza w przypadku dzieci czy osób o nietypowej budowie anatomicznej – podkreśla dr inż. Trembecka-Wójciga.
Badaczki zaznaczają, że celem projektu jest stworzenie żywicy fotoutwardzalnej, którą będzie można stosować dostępnych już drukarkach DLP. – Na rynku są już świetne drukarki, ale brakuje odpowiednich materiałów. Nasze rozwiązanie ma wypełnić tę lukę – dostarczamy technologii, która pozwoli na drukowanie biomedycznych implantów bez konieczności modyfikowania sprzętu – mówi prof. Ortyl.
W efekcie prace naukowców mogą przyczynić się do ograniczenia stosowania konwencjonalnych metod formowania elementów ceramicznych, które mają znaczne ograniczenia. – Dążymy do tego, by lekarze mogli wydrukować implant czy protezę dopasowaną do pacjenta na miejscu, w szpitalu. To już nie science fiction – to kwestia czasu – mówi prof. Ortyl.
Technologia z Politechniki Krakowskiej nie tylko skróciłaby czas leczenia, ale i znacząco obniżyła koszty – zarówno dla placówek medycznych, jak i pacjentów. – Druk 3D obniża zużycie materiałów i ilość odpadów, co czyni cały proces tańszym i bardziej ekologicznym – podkreśla dr inż. Trembecka-Wójciga.
Precyzja i wytrzymałość także dla motoryzacji i przemysłu lotniczego
Obecnie zespół jest na etapie przygotowania zgłoszenia patentowego. Równolegle trwają rozmowy z partnerami biznesowymi dotyczące komercjalizacji rozwiązania – zarówno w modelu licencyjnym, jak i poprzez potencjalny start-up. – Takie materiały muszą przejść rygorystyczne testy, zanim trafią do zastosowań klinicznych, jednak perspektywy są bardzo obiecujące – zaznacza dr inż. Trembecka-Wójciga.
Choć głównym celem projektu są zastosowania biomedyczne, opracowana żywica może być wykorzystywana także poza medycyną – w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym czy przy szybkim prototypowaniu. – Nasza żywica to rewolucja – na rynku nie ma jeszcze materiału tak gęsto opakowanego fazą ceramiczną, a jednocześnie utwardzanego światłem. To otwiera nowe możliwości nie tylko w medycynie, ale w każdej dziedzinie, gdzie liczy się wytrzymałość i precyzja materiałów – zaznacza dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga.
Projekt innowacyjnych materiałów ceramicznych jest realizowany dzięki finansowaniu z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach XIII edycji programu „Lider” (nr 13/0081/2011). W jego ramach rozwijanych jest kilka produktów, przewidzianych do aplikacji, a związanych z drukiem 3D materiałów ceramicznych. Rozwiązanie z PK otrzymało w tym roku nagrodę w konkursie „Kraków bez barier”, promującym osoby, instytucje i firmy, które podejmują działania mające na celu ułatwianie funkcjonowania osobom z niepełnosprawnościami w mieście.
