Oczyszczanie i bioaktywacja tytanowych wydruków 3D pod kątem zastosowań biomedycznych

Personalizowane, biozgodne implanty kości z wydruków 3D

Dr hab. inż. Jacek Grabarczyk, prof. uczelni z Instytutu Inżynierii Materiałowej Wydziału Mechanicznego Politechniki Łódzkiej realizuje – w ramach grantu Proof of Concept finansowanego z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG) przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej – projekt, który dotyczy kluczowych problemów w nowoczesnej medycynie regeneracyjnej i implantologii. Dzięki połączeniu technologii druku 3D i inżynierii biomedycznej możliwe będzie zrewolucjonizowanie leczenia pacjentów wymagających rozległych rekonstrukcji kostnych. Zespół prof. Jacka Grabarczyka opracowuje technologię oczyszczania i pokrywania biokompatybilną warstwą węglową wydrukowanych implantów kostnych, co ma wyeliminować ryzyko powikłań związanych z wszczepieniem pacjentom implantów metalowych. Ponadto tak przygotowane implanty zapewniają szybszą integrację wszczepionego materiału z kością, a tym samym szybszy powrót do zdrowia, co bezpośrednio przekłada się na jakość życia pacjentów.

Obecnie w implantologii coraz powszechniej stosuje się personalizowane implanty, które są „szyte na miarę” dla konkretnego pacjenta. Tworzy się je na podstawie dokładnych danych pacjenta, np. zdjęć rentgenowskich czy tomografii komputerowej, dzięki czemu implanty idealnie pasują do specyficznej anatomii pacjenta. Takie podejście jest szczególnie ważne w przypadku rekonstruowania dużych ubytków kostnych, np. u pacjentów, u których konieczne było usunięcie dużych fragmentów kości z powodu nowotworu.

„Techniką, która pozwala uzyskać wysoką precyzję i dostosować implant do ubytków jest druk 3D z metalu. Implanty drukowane są z proszków tytanowych, co wiąże się z problemem resztek proszku przylegającego do powierzchni implantu. Te pozostałości są kluczowym wyzwaniem, ponieważ mogą prowadzić do niekontrolowanego uwalniania niepożądanych, toksycznych cząstek metali do organizmu pacjenta. Dlatego, aby pozbyć się resztek proszku tytanowego z wydrukowanych implantów zaproponowaliśmy trzyetapowy proces oczyszczania i modyfikacji ich powierzchni” – mówi prof. Jacek Grabarczyk.

Pierwszy etap to chemiczne trawienie kwasami, dzięki któremu dochodzi do rozpuszczenia mikrometrycznych cząstek proszku zalegających na powierzchni implantu. Następnie, dzięki trawieniu plazmowemu, powierzchnia implantu uzyskuje odpowiednią topografię sprzyjającą integracji z tkanką kostną i rozrostowi komórek. Implant ma ażurową, gąbczastą strukturę, przypominającą pumeks, po to, żeby powierzchnia styku implantu z kością była jak największa. Dzięki temu kość może dobrze przerosnąć implant i się z nim związać.

„Ostatnim etapem jest pokrycie oczyszczonego implantu specjalną warstwą węglową. Węgiel jest doskonałym materiałem biozgodnym, który tworzy przyjazne środowisko do integracji tkanki z implantem, ułatwiając przerastanie komórek kostnych przez implant. Ponadto pokrycie węglowe stanowi powłokę ochronną, która zapobiega przedostawaniu się toksycznych jonów metali do organizmu. W rezultacie, procedura wszczepienia tak oczyszczonych i zmodyfikowanych implantów jest bezpieczniejsza dla pacjentów, skraca czas hospitalizacji i rekonwalescencji, co jest oczywiście korzystne dla pacjenta, ale również dla systemu opieki zdrowotnej” – podkreśla prof. J. Grabarczyk.

Opracowywana, innowacyjna w dziedzinie biozgodności, trzyetapowa obróbka personalizowanych implantów z wydruków 3D może być podstawą do opatentowania procesu. „Ponieważ firmy medyczne coraz częściej zwracają się w stronę druku 3D implantów, potencjał komercjalizacji tej technologii jest duży. Udane wyniki projektu mogą otworzyć drzwi do jej zastosowania nie tylko w implantach kostnych, ale też w implantach dentystycznych, czaszkowych, czy nawet w drukowaniu biokompatybilnych protez zastępczych” – dodaje prof. Grabarczyk.

Dr hab. inż. Jacek Grabarczyk, prof. uczelni, pracuje na Politechnice Łódzkiej od 1999 r. Jego zainteresowania naukowe obejmują zagadnienia związane z biomateriałami, nanotechnologią oraz plazmowymi technikami inżynierii powierzchni. Jako pracownik Instytutu Inżynierii Materiałowej brał udział w tworzeniu Centrum Doskonałości Nanodiam. Jest autorem lub współautorem: jednej monografii, ponad 30 prac naukowych, kilkudziesięciu doniesień konferencyjnych, pięciu patentów i dwóch wdrożeń przemysłowych. Jedna z wdrożonych technologii – biokompatybilne warstwy Si-DLC na implanty kostne – otrzymała Nagrodę Badawczą Simensa za pionierskie wdrożenie przemysłowe. Prof. Jacek Grabarczyk jest członkiem Polskiego Stowarzyszenia Biomateriałów, a także bardzo aktywnym nauczycielem akademickim. Jest autorem i współautorem treści nauczania i efektów kształcenia dla kilkunastu przedmiotów, realizowanych na kilku Wydziałach Politechniki Łódzkiej; był promotorem ponad 60 prac dyplomowych oraz dwóch przewodów doktorskich.