Śląscy naukowcy opracowali antybakteryjny materiał stosowany w druku przestrzennym. Za pomocą drukarek 3D można z niego tworzyć m.in. aparaturę medyczną lub implanty, na których nie dojdzie do rozwoju bakterii. Wynalazek od niedawna jest komercjalizowany.
Twórcami tego patentowego rozwiązania są naukowcy z Instytutu Nauki o Materiałach oraz Instytutu Chemii Uniwersytetu Śląskiego, a także z Wydziału Farmaceutycznego z Oddziałem Medycyny Laboratoryjnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego.
Zajmują się materiałami biozgodnymi, biokompatybilnymi, bakteriostatycznymi i bakteriobójczymi. Jedno z rozwiązań, nad którym pracują, "to materiał, który może być użyty do szybkiego prototypowania przyrządów medycznych, personalizowanych przyrządów medycznych, personalizowanych implantów porowatych, personalizowanych materiałów do hodowli komórkowych - zarówno biozgodnych, czyli takich, które nie są cytotoksyczne, jak i takich, które są bakteriostatyczne, na których nie rozwija się film bakteryjny" – powiedział PAP dr Andrzej Swinarew z Instytutu Nauki o Materiałach UŚ.
Materiał ten posiada właściwości antybakteryjne, jest również odporny na działania wysokich temperatur i promieniowanie UV. Dzięki temu np. aparatura medyczna nie będzie musiała być regularnie czyszczona czy sterylizowana, ponieważ na materiale w ogóle nie dojdzie do rozwoju bakterii – niezależnie od stopnia zniszczenia powierzchni sprzętu czy upływu czasu.
Dr Swinarew zaznacza, że materiał, nad którym pracuje śląski zespół, jest bardzo tani i łatwo go wytworzyć. Pozwala on też na wykonywanie detali techniką przyrostową, czyli techniką druku przestrzennego. "Każdy domorosły konstruktor, który posiada drukarkę 3D o odpowiednich parametrach, będzie mógł tworzyć - przy użyciu własnej drukarki, wyobraźni i oprogramowania do modelowania - takie urządzenia, sprzęty, detale, które będą bakteriostatyczne, biozgodne, co więcej, które będą miały dopuszczenie do stosowania w organizmie człowieka" – opowiadał.
Opracowany przez śląskich naukowców materiał jest odpowiedzią na potrzeby rynku. "To rozwiązanie znalazło już możliwość komercjalizacji. Nie chciałbym powiedzieć za dużo, natomiast w tej chwili powstała spółka przy współpracy z jednym z potentatów na rynku medycznym, który będzie wdrażał nasze rozwiązanie właśnie do produkcji aparatur medycznych, może później również implantów" – zapowiedział naukowiec.
Jego zdaniem metody uzyskiwania za pomocą druku przestrzennego - np. implantów - będą się rozwijać. "Myślę, że jest to przyszłość medycyny regeneracyjnej – prototypowane implanty robione na miarę danego pacjenta (…), który dostaje implant, ortezę zewnętrzną, stabilizator, dokładnie przygotowany pod jego wymiary fizyczne" – tłumaczył.
Jak powiedział dr Swinarew, choć za granicą prowadzone są już tego typu badania, to w Polsce robi się to tylko na Śląsku. "W skali kraju nikt się nie zajmuje takimi rzeczami. W kraju zajmujemy się tym my (Uniwersytet Śląski – PAP) i Śląski Uniwersytet Medyczny, i stąd właśnie wspólne rozwiązanie patentowe. My zajmujemy się bardziej stroną materiałową, tworzywową i fizyki, natomiast Uniwersytet Medyczny idzie bardziej w stronę biologii, mikrobiologii i medycyny" – zaznaczył naukowiec.
Nad opracowaniem nowego materiału pracowały cztery zespoły naukowców z międzynarodowego grona. Jesienią ub. r. naukowcy otrzymali Złoty Medal za patent na sposób otrzymywania modyfikowanych poliestrów, zwłaszcza poliwęglanu, o właściwościach antybakteryjnych, wykorzystywanych w druku przestrzennym. Przyznano go na Międzynarodowej Warszawskiej Wystawie Wynalazków IWIS 2016.
Opracowana mieszanka jest bierna chemicznie i odporna na działanie warunków atmosferycznych. Wykazuje dobrą stabilność termiczną w procesie przetwórstwa. Ponadto sam sposób jej otrzymywania jest względnie tani. Zaletami tych modyfikowanych poliestrów są również poprawione w stosunku do materiału wyjściowego właściwości mechaniczne oraz niski współczynnik wchłaniania wilgoci.
Otrzymany materiał wykazuje się bardzo wysoką odpornością na chemikalia i rozpuszczalniki, jest stabilny wymiarowo i odporny na ścieranie oraz zarysowania. Posiada małą gęstość.
Tworzywo może być wykorzystywane w takich dziedzinach jak technika lotnicza, elektronika, technika medyczna, budowa maszyn i przemysł samochodowy czy prototypowanie.
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl
Komentarze
[ z 5]
Biozgodne implanty oraz aparatura, która nie wymaga sterylizacji kluby ogromnym ułatwieniem, a co najważniejsze poprawione zostałoby bezpieczeństwo pacjenta oraz zmniejszone koszty utrzymania sprzętu. Biozgodny implant który nie wywołuje reakcji immunologicznej organizmu oszczędziłby również cierpienia. Po zabiegu organizm musi mieć czas na przyzwyczajenie się do ciała obcego które już na stałe znajduje się w jego obrębie. To wywołuje odpowiedź odporności i objawami odpowiada zwykłemu stanowi zapalnemu. Nasze ciało nie musiałoby walczyć z implantem a rekonwalescencja po zabiegu przebiegałaby o wiele sprawniej. Niedawno byłam na konferencji gdzie opowiadano o nowoczesnych stentach. Istnieją takie które ulegają degradacji w organizmie po tym jak naczynie uzyska swoją pierwotną poprawną formę. Takie rozwiązanie jest jeszcze lepsze jednak nie wszystko co chirurg w szczepi do ciała powinno ulegać degradacji. Tu właśnie ogromną rolę będą pełniły implanty które będą biokompatybilne. Nawet nie mogę sobie wyobrazić ile kosztów zostałoby zmniejszonych poprzez materiały antybakteryjne stosowane na co dzień przy zabiegach operacyjnych. Cała centralna sterylizatornia dba o to aby zapobiegać zakażeniom szpitalnym które niestety mimo wszelkich starań zdarzają się często. Nie mówię że wynika to ze złej pracy specjalistów jednak zdarza się że ludzie popełniają błędy. Sprzęt musi być odpowiednio myty, zabezpieczony i przechowywany. Na każdym z tych etapów istnieje zagrożenie zanieczyszczenia. Rozwiązanie opisane w artykule dają wiele nadziei na przyszłość, w której zakażenia szpitalne są niemal historią.
Byłoby świetnie, gdybyśmy mogli dysponować takim materiałem. Wykorzystywane na chwilę obecną implanty nowej generacji i tak bardzo dobrze spełniają swoje funkcje. Coraz rzadziej dochodzi do odrzucania aparatury przez organizm pacjenta. Także coraz rzadziej zdarza się, że na na przykład wszczepianej przez ortopedów tytanowej płytce odkłada się bakteryjny biofilm doprowadzając do przewlekłego stanu zapalnego w miejscu jej implantacji i zmuszając do usunięcia z ciała pacjenta czym niszczy się wcześniej uzyskane rezultaty leczenia. Wydaje mi się, że gdybyśmy dysponowali materiałem nie tylko obojętnym w wielu przypadkach dla organizmu chorego, ale nawet wyposażonym w właściwości bakteriobójcze można by w znacznym stopniu poprawić możliwości i zakres przeprowadzanych operacji, a także poprawić ich skuteczność. A to już z całą pewnością byłoby zjawiskiem bardzo pomyślnym i mam nadzieję, że wcześniej czy później dowiemy się, że taki materiał udało się opracować.
Na pewno w znacznej mierze poprawiło by to skuteczność leczenia wielu przypadków. Zwłaszcza, że chociaż tak jak poprzednicy zauważyli, posiadamy już do dyspozycji wiele narzędzi ułatwiających pracę to jednak w dalszym ciągu nie mamy nic co idealnie by się do tego celu nadawało. Ciągle pomimo naszych starań zdarzają się nieszczęśliwe przypadki powikłań i odrzucania wszczepionych materiałów właśnie z powodu biofilmu bakteryjnego który osiada na płytkach czy też na innych częściach implantów. W dodatku jeśli nie chodziło by w tym przypadku wyłącznie o opracowanie bakteriobójczego materiału, ale jeszcze dodatkowo udałoby się wymyślić taką metodę by móc drukować w trójwymiarze części o potrzebnym kształcie to na pewno było by wielkim sukcesem, którego mam nadzieję, że udało by się nam dokonać. Zdaję sobie sprawę, że od pomysłu co zrobić, do momentu opracowania metody wykonania, aż po realizację i udowodnienie skuteczności jeszcze daleka droga. Ale to nie znaczy, że nie można już teraz cieszyć się z tego, że próbujemy i że gdzieś na horyzoncie pojawia się światełko nadziei, że to w końcu się uda.
Bardzo cieszy mnie fakt, że coraz częściej słyszy się o tym iż w Polsce powstają nowoczesne rozwiązania. Taki materiał może być bardzo użyteczny w placówkach medycznych z uwagi na to, że właśnie nie będą się na nim rozwijać bakterie, które jak wiemy są przyczyną zakażeń szpitalnych. Kilka lat temu ortopedzi z Warszawy wszczepili młodej pacjentce implant kości, która została stworzona przy pomocy specjalnej drukarki. Całe przygotowanie do projektu trwało rok, co pokazuje jak bardzo skomplikowany był to proces. W tym czasie bardzo dokładnie analizowano tomografie komputerowe, a przy pomocy specjalnego programu komputerowego zwizualizowano kości, które były zdeformowane. Ten przykład jest dowodem na to, że medycyna cały czas idzie do przodu i stwarza możliwości o których jeszcze kilka lat temu byśmy nawet nie pomyśleli. Według mnie to bardzo dobrze, że rzeczy, które w przeszłości były wykorzystywane do zupełnie innych celów obecnie znajdują swoje zastosowanie w medycynie. Jak wiemy drukarki 3D początkowo były stosowane do mniej poważnych celów. Tworzono proste figury przestrzenne i inne obiekty. Wraz z upływem czasu i postępu technologicznego z roku na rok, te drukarki mogły tworzyć coraz dokładniejsze i bardziej precyzyjne prace. Warto zaznaczyć, że w tworzeniu podobnych projektów biorą często udział młodzi naukowcy. Nie zawsze dysponują oni wystarczającymi środkami, dlatego według mnie bardzo ważne jest aby wspierać ich w miarę możliwości. Często udaje im się dostać dofinansowanie z Unii Europejskiej, jednak nie zawsze jest to takie proste. A przecież czasami brakuje naprawdę niewiele pieniędzy aby móc rozpocząć lub kontynuować dany projekt. W tym przypadku co ciekawe projekt opracował student. Według mnie potencjał polskich studentów jest naprawdę bardzo duży. Często biorą oni udział w międzynarodowych projektach, które wiele wnoszą do nauki oraz medycyny. W tym wypadku nie jest inaczej. Odtworzenie wątroby w trójwymiarze wydaje się być bardzo dużym ułatwieniem nie tylko dla młodych lekarzy, którzy dopiero zaczynają się uczyć, ale również dla bardziej doświadczonych operatorów. Każde kolejne badanie chociażby poprzez zobrazowanie sprawia, że zaplanowanie przebiegu jest dużo łatwiejsze oraz przewidywalne. Różnica pomiędzy cenami jakie wynoszą za model stworzony w Polsce, w porównaniu do tych stworzonych za granicą jest ogromna. W szczególności jeżeli chodzi o naszą służbę zdrowia tworzenie modeli w cenach zagranicznych zapewne nie byłaby tak powszechna, jak tych które opracował polski student. Dzięki temu diagnoza pacjenta będzie dużo łatwiejsze, przez co zaoszczędzi się czas, a także pieniądze, ponieważ nie będą wykonywane dalsze badania, które będą służyły do postawienia odpowiedniego rozpoznania, które nie zawsze jest takie oczywiste jakby się mogło wydawać. Dzięki temu uniknie się także błędów. Wydaje mi się, że również takie modele wątroby mogą posłużyć studentom podczas edukacji na różnych przedmiotach, zaczynając chociażby od anatomii. Dużo łatwiej jest zapoznać się i wyobrazić sobie szczegóły jeżeli są one przedstawione tak jak wyglądają w rzeczywistości. W ostatnim czasie słyszy się również o tym, że w chirurgii szczękowo-twarzowej coraz częściej stosuje się drukarki trójwymiarowe do tworzenia fragmentów kości. Bardzo często w wyniku wypadków, czy w wyniku rozwoju choroby nowotworowej zostaje zniszczona znaczna część struktury kostnej w obrębie twarzoczaszki. Wielu pacjentom, zależy na tym aby twarz po operacji wyglądała możliwie najbardziej estetycznie, a chory po niej mógł się czuć swobodnie. Co istotne musi ona również być funkcjonalna. Jeszcze do niedawna najpowszechniejszym rozwiązaniem były chociażby przeszczepy z kości strzałkowej lub talerza kości biodrowej. To wiązało się jednak z dodatkowymi ranami na ciele pacjenta, przez co operacja stawała się bardziej obciążająca, szczególnie jeżeli pacjentami są osoby starsze. Problem ten zostaje powoli eliminowany poprzez tworzenie implantów, które mogą zastąpić chociażby fragment żuchwy czy znaczną część szczęki, która musiała być usunięta. Po takim zabiegu efekt estetyczny jest bardzo dobry. Wiedząc o coraz to nowszych możliwościach jakie daje pacjentom medycyna, dużo chętniej podchodzą oni do zabiegów, a jak wiemy jest to bardzo kluczowe jeżeli chodzi o sukces całego leczenia. W bieżącym miesiącu polscy naukowcy będą starać się wytworzyć w pełni unaczynioną trzustkę. Będzie to tak zwana bioniczna trzustka. Tylko w naszym kraju na cukrzycę I typu choruje około 200 tysięcy pacjentów. Prawidłowo prowadzona insulinoterapia okazuje się być bardzo skuteczna, jednak u części pacjentów nie jest możliwe uniknięcie powikłań. W takich przypadkach rozwiązaniem wydaje się być przeszczep trzustki lub samych wysp trzustkowych. Taki zabieg nie należy jednak do najprostszych i może wiązać się z niepowodzeniem. Problemem jest również bardzo mała liczba tych narządów do przeszczepu, a także konieczność stosowania długotrwałej terapii immunosupresyjnej. Komórki, z których bioniczna trzustka byłaby tworzona, mają pochodzić z tkanek własnych pacjenta, co nie będzie wiązało się z koniecznością leczenia immunosupresyjnego. To według mnie jeden z najmocniejszych argumentów, które przemawiają za tym jak wielkim osiągnięciem jest stworzenie bionicznej trzustki.
Bioinżynierom z Teksasu za pomocą druku 3D udało się opracować urządzenie imitujące działanie naturalnej trzustki, a także specjalny materiał hydrożelowy stanowiący osłonę dla sprzętu. Dzięki temu praca sprzętu nie zostaje zakłócona, a organizm nie odrzuca sztucznego organu. W ramach trzyletniego projektu naukowego badacze z Teksasu skupią się na tym, aby sztuczna trzustka we właściwym momencie reagowała na różny poziom cukru we krwi i w razie potrzeby uwalniała insulinę w idealnym momencie, w taki sposób, by było to najkorzystniejsze dla pacjenta. Technologia biodruku posłużyła naukowcom do opracowania techniki wytwarzania trójwymiarowych rusztowań wspomagających leczenie złamanych kości u pacjentów z cukrzycą. Rusztowanie to zbudowane jest z komórek macierzystych szpiku kostnego, morfogenicznego białka kości i makrofagów. Cukrzyca może zwiększać ryzyko złamań kości nawet o 300 procent. Wysoki poziom glukozy we krwi utrudnia też proces gojenia. Biodruk trójwymiarowy pozwoli więc usprawnić proces leczenia i ułatwić dostęp do skutecznych terapii.Na początku pandemii wywołanej koronawirusem okazało się, że szpitalom i innym placówkom medycznym nie tylko w naszym kraju brakuje odzieży ochronnej i innego wyposażenia. Prawie połowa lekarzy w Wielkiej Brytanii przyznawała, że jest zmuszona sama zaopatrywać się w odzież ochronną. W tej sytuacji społeczność zajmująca się drukiem trójwymiarowym włączyła się do produkcji takich urządzeń jak : ochronne maski, zawory tlenowe do wentylatorów, rozdzielacze do wentylatorów i respiratorów pozwalające na ich stosowanie dla kilku pacjentów, pałeczki do wymazów testów na koronawirusa, przyłbice, kabiny do kwarantanny, prowizoryczne respiratory utworzone z wyposażenia do nurkowania z akwalungiem, a nawet dźwignie pozwalające otworzyć drzwi łokciem. Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest wytwarzanie w druku 3D łączników, pozwalających na podłączenie nawet czterech pacjentów do jednego respiratora. Ograniczenia dla urządzeń medycznych do walki z pandemią związane są najczęściej, ale nie jedynie, z brakiem możliwości ich dezynfekcji. Przykładowo, amatorskie drukarki 3D korzystające z ekstrudera wytwarzają przedmioty, które są porowate i mają bardziej szorstką powierzchnię. Nie da się ich w odpowiedni sposób zdezynfekować. Po sukcesie przy przygotowaniu specjalnego modelu 3D żyły zaatakowanej nowotworem, naukowcy z Politechniki Opolskiej planują szerszą współpracę z lekarzami. W planach jest stworzenie m.in. fantomów układu kostnego okolic miednicy i modeli tętnic przed zabiegami. Padła propozycja, żeby opracować formy, na których można by planować operacje wprowadzania stent-graftów do naczyń krwionośnych, w których zlokalizowany jest tętniak. Wprowadzenie stent-graftu do tętnicy lub żyły jest sposobem na jego zoperowanie. W tym przypadku, na podstawie przekrojów uzyskanych z rezonansu magnetycznego lub z tomografu komputerowego tworzy się model trójwymiarowy w którym można umieścić stent-graft, który później można wykorzystać w trakcie zabiegu. Kolejnym założeniem jest stworzenie fantomu układu kostnego okolic miednicy. To będzie model, na którym będą prowadzone badania ukierunkowane na zastosowania radioterapii nowotworów ginekologicznych. Fantom umożliwi badanie efektywności naświetlania radioterapeutycznego. Obecnie fantom jest w trakcie drukowania, praca nad nim wygląda inaczej niż praca nad żyłą. W przypadku żyły model, który opracowaliśmy odzwierciedlał tkanki miękkie, tutaj skupiam się na drukowaniu modelu, który odzwierciedla tkanki kostne. Po wydrukowaniu fantom będzie uzupełniony specjalnym żelem, który będzie reprezentował tkanki miękkie. W wielu przypadkach, gdy na skutek np. choroby nowotworowej fragment kości musi zostać usunięty, wykonuje się przeszczep z innej części ciała i uzupełnia brakujący fragment np. żuchwy czy kości czaszki. Technologia druku 3D daje nam możliwość stworzenia różnych kształtów w zależności od konkretnej sytuacji, np. określonej kości. Jeżeli wydrukuje się fragment ubytku kości po resekcji nowotworowej i chcemy wszczepić materiał, który zintegruje się z tkanką kostną, a następnie odbudują się nad nim komórki, musi najpierw zostać wysterylizowany, żeby nie wprowadzać do organizmu niepotrzebnych mikrobów. Wyzwaniem dla medycyny i bioinżynierii jest odbudowa całej krtani, ponieważ przeszczepienie jej od dawcy jest procedurą obarczoną wysokim ryzykiem, biorąc pod uwagę biozgodność i możliwą akceptację narządu. Istnieje wiele możliwości przezwyciężenia tych trudności. Jednym z najnowszych i najskuteczniejszych rozwiązań jest sztuczna krtań. Odpowiedni implant powinien być biokompatybilny i spersonalizowany dla każdego pacjenta. Do wykonania takiego implantu wykorzystuje się sztuczną porowatą krtań rusztowania pokrytą kolagenem i chondrocytami. Porowate rusztowania polimerowe są używane do imitowania struktury narządów i stały się kluczowym elementem trójwymiarowej hodowli komórek. Analiza obrazów pochodzących z nowoczesnych metod tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z możliwością rekonstrukcji trójwymiarowej umożliwia bardzo precyzyjne zaplanowanie allogenicznego podłoża rekonstrukcji. Spełnia ona warunek zabiegu ''spersonalizowanego''. Anatomia i fizjologia krtani determinują parametry fizykochemiczne materiałów użytych do allogenicznej budowy tego narządu. Stosowanie metalicznych pierwiastków takich jak tytan nie jest wskazane, ze względu na brak stabilności tak ciężkiej konstrukcji oraz niski stopień adhezji komórek. Wykorzystanie materiałów ceramicznych, np. apatytu, jest ryzykowne ze względu na mikrośrodowisko śluzu, które może powodować ich degradację. Innowacyjna metoda drukowania części ciała może być przełomem w rekonstrukcji twarzy i pourazowej chirurgii plastycznej.Nad drukarką 3D, która byłaby w stanie tworzyć chrząstki uszu czy nosa pracują walijscy naukowcy. Obecnie do pourazowych rekonstrukcji twarzy na przykład po wypadkach, oparzeniach, nowotworach skóry i wadach wrodzonych, wykorzystuje się tkankę chrząstki pacjenta, najczęściej pobieraną z żeber. Niestety, zabieg ten wiąże się z bliznowaceniem w miejscu pobrania i innymi powikłaniami. Zespół z sukcesem wyizolował ludzkie komórki macierzyste pochodzące z chrząstki nosowo-przegrodowej i wykazał, że mogą one wytwarzać macierz chrząstki poza organizmem człowieka. Co ważne, ta metoda nie wymaga przeprowadzania operacji w celu pobierania chrząstek z innych części ciała pacjenta, a zabieg jest niemal nieinwazyjny. Naukowcy z powodzeniem radzą sobie z drukowaniem komórek i biomateriałów, z których są zbudowane ludzkie tkanki, ale wciąż są dalecy od stworzenia całych funkcjonalnych narządów. Druk trójwymiarowy co prawda jest coraz częściej wykorzystywany w medycynie, np. do produkcji implantów stomatologicznych lub modeli wykorzystywanych przez chirurgów do symulowania przeprowadzanych operacji. Ponadto technologia pozwala na wykorzystanie biotuszu do produkcji komórek, które pozwoliłyby opracować w pełni funkcjonujące narządy. Aby go stworzyć, należy w pierwszej kolejności stworzyć przestrzenne rusztowanie, na którym można by osadzić komórki macierzyste różnicujące się i rozrastające w konkretne tkanki. Niestety, w tym momencie nie ma możliwości aby to zrobić metodami laboratoryjnymi, bo dostępne protokoły biologiczne nie pozwalają na organizację różnych gradientów i wzorców strukturalnych w tkankach, które nie są jednorodne. Dzieje się tak ponieważ nie ma kontroli nad tym, w które miejsce tkanki trafiają właściwe komórki. Takie możliwości oferuje natomiast druk w technice trójwymiarowej, który pozwala bioinżynierom na precyzyjne kierowanie komórek. To z kolei przekłada się na lepsze organoidy, a w końcu może i umożliwić tworzenie organów. Naukowcom z Teksasu udało się wydrukować sztuczny organ, który gdy pojawia się taka konieczność uwalnia odpowiednią ilość hormonu regulującego poziom cukru we krwi. Na dodatek nowy wynalazek jest skuteczniejszy niż prototypy podobnych urządzeń, które powstały na świecie do tej pory. Choć postęp badań nad cukrzycą we współczesnej medycynie jest znaczący, a nawet inteligentne plastry dostarczające pacjentom insulinę nie są dużym zaskoczeniem, to sztuczna trzustka zdolna do wytwarzania insuliny stanowi dużo większe wyzwanie. Pionierami w tej dziedzinie są naukowcy z naszego kraju, którym już kilka lat temu jako pierwszym na świecie udało się wydrukować za pomocą technologii trójwymiarowej bioniczny odpowiednik tego organu.