Biozgodne żywice ceramiczne utwardzane światłem do zastosowań biomedycznych i przemysłowych opracowali naukowcy z Politechniki Krakowskiej i Polskiej Akademii Nauk. Nowy materiał, strukturą przypominający ludzką kość, może być wykorzystywany m.in. do szybkiego druku 3D indywidualnie dopasowanych endoprotez i implantów.
Rozwiązanie, którego autorami są naukowcy z Laboratorium Fotochemii i Spektroskopii Optycznej Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej oraz Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie, to odpowiedź na potrzeby pacjentów ortopedycznych. Ma szansę zmienić sposób, w jaki powstają implanty i protezy kostne.
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.
Jak dodaje, 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 liczba ta 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
Odpowiedzią krakowskich naukowców na zapotrzebowanie 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 – zaznacza dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga.
Jednym z kluczowych aspektów projektu była plan stworzenia materiału, wiernie odwzorowującego porowatą strukturę kości. W projekcie wykorzystano 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 dr hab. inż. Joanna Ortyl.
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. 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.
Celem projektu jest stworzenie żywicy fotoutwardzalnej, którą będzie można stosować w dostępnych już drukarkach DLP. W efekcie prace naukowców mogą przyczynić się do ograniczenia stosowania konwencjonalnych metod formowania elementów ceramicznych, które mają znaczne ograniczenia. Dzięki temu lekarze mogliby wydrukować implant czy protezę dopasowaną do pacjenta na miejscu, w szpitalu. Technologia nie tylko skróciłaby czas leczenia, ale i znacząco obniżyła koszty – zarówno dla placówek medycznych, jak i pacjentów.
Także dla motoryzacji i przemysłu lotniczego
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.
MK, źródło: PK