Będą drukować kości. Polacy uszyją implanty na miarę
Zespół z Krakowa stworzył fotoutwardzalną żywicę ceramiczną, która naśladuje budowę kości i nadaje się do druku 3D w istniejących drukarkach DLP.
Polscy naukowcy proponują, by zamiast szlifować metal, kości po prostu drukować. Zespół z Politechniki Krakowskiej i Polskiej Akademii Nauk opracował światłoutwardzalną żywicę ceramiczną, która zachowuje się jak syntetyczna kość: jest twarda, odporna na ścieranie i ma kontrolowaną porowatość. Dzięki temu w zwykłych drukarkach 3D typu DLP będzie można wytwarzać lekkie, trwałe i idealnie dopasowane implanty dla konkretnych pacjentów.
Żywica, która zachowuje się jak kość
Nowy materiał opracowany w Krakowie to tzw. żywica ceramiczna utwardzana światłem. W uproszczeniu jest to gęsta mieszanina cząstek ceramiki zawieszonych w fotopolimerze, czyli płynnej żywicy, która twardnieje pod wpływem światła. Po naświetleniu powstaje precyzyjnie uformowany element, a po odpowiedniej obróbce termicznej pozostaje z niego wytrzymała, spieczona ceramika.
Badacze podkreślają, że ich kompozycja jest wyjątkowo mocno naszpikowana fazą ceramiczną, a mimo to nadal daje się formować światłem. To ważne, bo to właśnie ceramika odpowiada za najważniejsze właściwości mechaniczne, czyli twardość, odporność na pękanie i ścieranie. W tym przypadku zastosowano bioceramikę na bazie tlenku cyrkonu, materiału znanego z implantologii jako wyjątkowo wytrzymały, stabilny chemicznie, który jest dobrze tolerowany przez organizm.
Tutaj warto przypomnieć, że kość ludzka nie przypomina litego betonu: ma złożoną, porowatą strukturę, z gęstszą zewnętrzną warstwą i bardziej gąbczastym wnętrzem. Nowa żywica została pomyślana tak, by dało się tę architekturę odtworzyć – zarówno w skali całej kości, jak i w mikroskali porów, przez które może wrastać tkanka.
Druk 3D, który szyje implant na miarę
Technologia, nad którą pracuje zespół, jest dostosowana do druku w technice DLP. W tego typu drukarkach całe przekroje modelu są utwardzane światłem z projektora, warstwa po warstwie. Pozwala to osiągnąć bardzo wysoką rozdzielczość i wiernie odwzorować nawet najbardziej skomplikowane kształty.
W praktyce ścieżka wyglądałaby tak: lekarz wykonuje obrazowanie (np. tomografię komputerową) uszkodzonego fragmentu kości, na tej podstawie powstaje model trójwymiarowy ubytku, a inżynierowie projektują implant pasujący do konkretnego pacjenta co do milimetra. Istotne jest to, że porowatość można zmieniać w różnych częściach wydruku – w jednym miejscu materiał może być bardziej zwarty i przenosić duże obciążenia, w innym bardziej gąbczasty, by ułatwić wrastanie komórek kostnych i naczyń krwionośnych.
Takie szyte na miarę implanty są szczególnie potrzebne w sytuacjach, gdzie standardowe katalogowe protezy po prostu nie pasują: u dzieci, u osób po rozległych urazach czy po operacjach onkologicznych, gdy usunięty fragment kości ma nieregularny kształt. Im lepsze dopasowanie, tym mniejsze ryzyko powikłań i tym większa szansa, że pacjent szybciej odzyska sprawność.
Ceramika kontra metal. Kto lepiej zniesie lata pracy?
Tradycyjne implanty ortopedyczne najczęściej powstają z metali i ich stopów, takich jak tytan czy stal chirurgiczna. Są wytrzymałe, ale mają swoje wady: mogą ulegać korozji, ścierać się w miejscu kontaktu z innymi elementami i uwalniać do tkanek drobne cząstki metalu, które nie zawsze są obojętne dla organizmu. W sporadycznych przypadkach dochodzi też do reakcji alergicznych.
Ceramika techniczna, zwłaszcza taka na bazie tlenku cyrkonu, zachowuje się inaczej. Jest chemicznie obojętna, biozgodna i nie rozpuszcza się w kontakcie z płynami ustrojowymi. Bardzo wysoka odporność na ścieranie sprawia, że powierzchnie takie jak główki endoprotez czy panewki stawowe zużywają się znacznie wolniej, niż ich metalowe odpowiedniki, co może przełożyć się na dłuższą żywotność całego implantu.
Przeczytaj także:
Naukowcy podkreślają, że nie chcą tworzyć egzotycznej technologii wymagającej specjalistycznych, unikatowych urządzeń. Celem jest opracowanie takiej żywicy, którą da się wlać do już dostępnych na rynku drukarek DLP – tych samych, które dziś służą choćby do precyzyjnego druku elementów technicznych czy modeli stomatologicznych. Jeśli to się uda, to w przyszłości większe ośrodki ortopedyczne mogłyby mieć w swoich pracowniach własne drukarki, a implanty byłyby tworzone na miejscu, tuż przed zabiegiem.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Komsan Loonprom / Shutterstock
