Hybrydowy druk przestrzenny rusztowań wspomagających regenerację kości
W ciągu ostatnich dziesięciu lat rynek wytwarzania przyrostowego rozwijał się w imponującym tempie. U podstaw tego wzrostu leżą czynniki takie jak produkcja lokalna, nieograniczone możliwości pod względem możliwych do uzyskania kształtów, możliwość pełnego dopasowania wytwarzanych elementów i brak odpadów. Być może najważniejszą z zalet jest charakterystyczna dla wytwarzania przyrostowego możliwość „projektowania pod kątem funkcji”, dzięki której produkcja nie jest obecnie ograniczona przez czynniki narzucane przez metody wytwórcze, ale w której priorytetowo traktowany jest sposób docelowego wykorzystania wyrobu. W finansowanym przez UE projekcie FAST (Functionally graded Additive Manufacturing scaffolds by hybrid manufacturing) wykorzystano techniki wytwarzania przyrostowego w celu opracowania i zademonstrowania maszyny do druku przestrzennego, która połączyła hybrydowy proces drukowania z fizycznym osadzaniem z fazy plazmowej w celu produkcji rusztowań wspomagających regenerację kości. W ramach projektu FAST zidentyfikowano również antybiotyki potencjalnie nadające się do wbudowania w materiał rusztowania, a także zademonstrowano wzrost komórek na powierzchni drukowanych i powlekanych rusztowań. Budowanie rusztowań z kompozytów polimerowych Wiele gałęzi przemysłu, takich jak przemysł samochodowy i lotniczy, korzysta z możliwości oferowanych przez wytwarzanie przyrostowe w celu ekonomicznej produkcji złożonych i wysoce dopasowanych części o różnych zintegrowanych funkcjach. Jednak techniki wytwarzania przyrostowego są również coraz częściej wykorzystywane do produkcji wyrobów medycznych. Na przykład implanty dostosowane do indywidualnych potrzeb pacjenta oferują takie korzyści, jak lepsze planowanie przedoperacyjne, zmniejszenie kosztów systemu opieki zdrowotnej dzięki krótszym czasom operacji, wydłużenie czasu życia implantu oraz poprawa komfortu pacjenta przy mniejszej liczbie dolegliwości pooperacyjnych. Dotyczy to w szczególności produkcji rusztowań na potrzeby inżynierii tkankowej (TE) i medycyny regeneracyjnej, gdzie technologia ta jest stosowana już od ponad dekady. Lorenzo Moroni wyjaśnia: „Rusztowania te są jedną z dziedzin, w których zasada projektowania pod kątem funkcji daje przewagę nad innymi technikami produkcji. Wszystkie niezbędne aspekty dotyczące mechaniki, geometrii (porowatość i kształt), biomateriałów, bioaktywnych cząsteczek i powierzchniowych grup chemicznych mogą być uwzględnione w jednej konstrukcji”. Nowa drukarka polimerowa 3D firmy FAST umożliwia drukowanie, a nastepnie powlekanie rusztowań niemalże w jednym kroku i w ramach jednej maszyny. Przy użyciu metody warstwa po warstwie, technologia nakłada powłokę na cały implant, co ma na celu zwiększenie przyczepności komórek i tym samym wspomaganie regeneracji kości. Technologia ta polega na stapianiu nanokompozytów z biofunkcjonalnymi wypełniaczami bezpośrednio w głowicy drukującej, przy wykorzystaniu technologii plazmy atmosferycznej podczas samego procesu drukowania. „Ponieważ technologia pozwala na kontrolowanie składu i gęstości włókien, a także lokalizacji powłoki, operatorzy mogą zaprojektować kształt, porowatość, stabilność mechaniczną i właściwości biochemiczne rusztowania”, mówi prof. Alessandro Patelli, koordynator konsorcjum. Rusztowania te nie tylko ulegają biodegradacji, ale również posiadają stopniowane właściwości mechaniczne i biochemiczne dostosowane do indywidualnych potrzeb pacjentów. Jak wspomina Moroni, okazało się to najtrudniejszym aspektem projektu: „Opracowanie głowicy drukującej, która jest w stanie tworzyć ciągłe gradienty, zaowocowało testami z użyciem kilku działających prototypów”. Pomoc w usprawnieniu systemu opieki zdrowotnej Technologia FAST powinna przyczynić się do poprawy efektywności europejskiego systemu opieki zdrowotnej, zwłaszcza pod względem naprawy kości w chirurgii ortopedycznej, czaszki, twarzy i szczękowo-twarzowej. W pierwszej kolejności nowa technologia będzie musiała jednak zostać sprawdzona w praktyce w ramach badań klinicznych fazy I, jeśli badania na zwierzętach przyniosą obiecujące wyniki w porównaniu z obecnymi metodami leczenia. Następnie będzie musiała spełnić wymagania regulacyjne pozwalające na jej dopuszczenie do użytku, co ma nastąpić w ciągu trzech do sześciu lat od zakończenia projektu. „Oczekujemy, że FAST wzmocni globalną konkurencyjność rynkową naszych małych i średnich firm partnerskich, chroniąc istniejące miejsca pracy, natomiast rozszerzona linia produktów przyczyni się do zwiększenia zatrudnienia”, mówi Patelli. Obecnie zespół prowadzi dalsze badania rusztowań FAST w ramach testów in vitro i in vivo, poszukując odpowiednich partnerów przemysłowych do badań klinicznych.
Słowa kluczowe
FAST, wytwarzanie przyrostowe, polimery, nanokompozyty, rusztowania, tkanki, kości, regeneracja, druk 3D, chirurgia, implanty
