Inżynieria tkankowa – spersonalizowane wytwarzanie bioimplantów

Ten temat od strony technicznej wyczerpująco omówiła dr inż. Barbara Ostrowska (Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, Zakład Projektowania Materiałów). Wyzwaniem, przed którym stoi inżynieria tkankowa jest odbudowa dużych ubytków kostnych. Dzięki tej dziedzinie nauk technicznych możliwe staje się wytwarzanie funkcjonalnych zamienników uszkodzonych tkanek lub całych narządów. Obszar tematyczny, którym się zajmuje wciąż się rozrasta – obejmuje manipulacje komórkami somatycznymi i macierzystymi, konstruowanie odpowiednich rusztowań podtrzymujących, wpływanie na warunki wzrostu tkanki oraz jej strukturę, a także utrzymywanie sprzyjających parametrów fizykochemicznych otoczenia. Druk 3D rozumiany jako wytwarzanie obiektu warstwa po warstwie, tzw. techniką przyrostową, addytywną, będącą jedną z technik szybkiego prototypowania, może wyprzeć niedoskonałe i zawodne metody dzisiejszego leczenia. Dla przykładu – autoprzeszczep pozwala wykonywać tylko małe przeszczepy, alloplastyka niesie za sobą ryzyko kolejnej operacji, ponieważ nie uwzględnia ona mechanicznego i biologicznego dopasowania do właściwej tkanki, a ksenograft wiąże się z zagrożeniem przeniesienia chorób i odrzucenia przeszczepu.   

Nowe materiały i aplikacje druku 3D w medycynie

Przedstawiciele zlokalizowanej w Gdańsku firmy Bibus Menos na samym wstępie opowiedzieli o swoim najnowszym „dziecku”, czyli drukarce 3D do metalu EOS M100 pracującej w technologii DMLS/SLM, która swoje zastosowanie znajduje głównie w branży medycznej. Poszukując wszelkiego rodzaju sprzętów zawsze patrzymy na funkcjonalność i parametry, zatem wymieńmy te najważniejsze. Ważący ok. 600 kg EOS M 100 oferuje stabilny i powtarzalny proces produkcyjny, dotykowy panel sterujący, wbudowaną kamerę 1,3 MPix, kartridżowy system podawania materiału, laser chłodzony powietrzem, podciśnieniowy system mocowania platformy i podgrzewanie tej platformy nawet do 80 stopni C.

W dalszej części prezentacji firma zobrazowała czym jest znajdująca się w ofercie Bibus Menos technologia LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing), opatentowana przez austriacką firmę Lithoz GmbH. Tutaj jednak zamiast zanudzać Was długimi wywodami na ten temat, zaproponujemy obejrzenie tego krótkiego filmiku:

Technologię druku 3D zrewolucjonizował system PolyJet Matrix, znany od roku 2008, dający możliwość symulowania tkanek miękkich oraz kolorystycznego rozróżnienia kanałów nerwowych. Mieszając dwa podstawowe komponenty uzyskujemy kilkadziesiąt materiałów o różnej charakterystyce fizycznej. Spadające na stół roboczy mikro krople żywicy łączą się ze sobą w precyzyjnym układzie gwarantującym zachowanie zadanych cech w strukturze całego systemu. 

Spiekanie/stapianie laserowe

W tym przypadku swoją wiedzą podzielił się ze słuchaczami dr inż. Dominik Wyszyński (Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji). Ta pionierska technologia znajdzie zastosowanie przede wszystkim w przypadku ortopedii medycznej. Przedmioty i struktury o złożonych kształtach geometrycznych są wytwarzane z wysokogatunkowych materiałów, takich jak: stal nierdzewna, kobalt i chrom oraz tytan. Stal nierdzewna charakteryzuje się bardzo wysoką wytrzymałością, łatwym utwardzaniem, prostą obróbką cieplną i doskonałymi właściwościami mechanicznymi. Ten materiał z pewnością znajdzie zastosowanie inżynieryjne w przypadku funkcjonalnych prototypów, krótkich serii produktowych, elementów na zamówienie bądź części zamiennych lub elementów o szczególnej wytrzymałości i twardości. Elementy kobaltowo-chromowe z racji swojej wytrzymałości i odporności na działanie temperatury i korozję doskonale sprawdzą się w inżynierii wysokotkankowej (np. turbiny) oraz w przypadku implantów medycznych. Ponadto ich biozgodność oraz właściwości cieplne skorelowane z ceramiką dentystyczną pozwolą na budowę elementów dentystycznych, np. mostku i koron. Elementy tytanowe charakteryzują się optymalnym stosunkiem wagi do wytrzymałości, biozgodnością i odpornością na korozję. Możemy je stosować w przemyśle lotniczym, kosmicznym, inżynierii oraz implantach biomedycznych.

Planowanie rekonstrukcji

Temat ze strony praktycznej postarał się „ugryźć” dr med. Łukasz Krakowczyk (Klinika Chirurgii Onkologicznej i Rekonstrukcyjnej Centrum Onkologii, Instytut Onkologii IMSC w Gliwicach). Zna on bowiem temat od strony przeprowadzania operacji, więc pomijając poruszane już wcześniej kwestie techniczne, wytłumaczył jak należy wykonywać poprawnie zabieg rekonstrukcji. Po pierwsze, lekarz musi wybrać najprostszą technikę, która zapewni najkorzystniejszy efekt tak funkcjonalny, jak i estetyczny. Zastosowane tkanki powinny być jednoimienne (np. płat kostny uzupełnia kość, skórny – skórę itd.). Objętość tkanek przeszczepianych powinna odpowiadać objętości ubytku lub tylko nieznacznie go przekraczać. Kształt i wielkość elementów użytych do rekonstrukcji powinny być odwzorowaniem elementów usuniętych.

Przestrzenna wieloelementowa budowa szkieletu czaszki, w przypadku zabiegów resekcyjnych z powodu nowotworów, wymaga bardzo szczegółowego planowania etapu rekonstrukcji oraz musi uwzględniać przywrócenie wszelkich pierwotnych cech i funkcji tej okolicy. Dzięki przedoperacyjnemu przygotowaniu modeli roboczych czaszki i płatów kostnych w technologii druku cyfrowego z zastosowaniem światłoutwardzalnych żywic poliakrylowych, lekarz jest w stanie wiernie odwzorować elementy szkieletu i precyzyjnie zaplanować rekonstrukcję. Taki zabieg niesie za sobą szereg zalet. Resekcja i rekonstrukcja tkanek może zostać przedoperacyjnie zaplanowana poprzez przetestowanie kilku ich wariantów, bez szkody dla pacjenta i straty czasu podczas zabiegu. Ponadto chirurg ma możliwość wstępnego, precyzyjnego planowania rekonstrukcji i nie naraża się na konieczność szybkiego decydowania w warunkach operacyjnych. Cała grupa specjalistów może także pracować z modelem, co redukuje ryzyko nieporozumień i umożliwia konsultacje w szerokim gronie, nawet opierając się o zdalne metody komunikacyjne, takie jak telemedycyna czy wideokonferencje.  

Na pierwszym zdjęciu zabieg z dawcą, na drugim - biorca rok po operacji większej części twarzy. Biorca nie ma żadnych problemów funkcjonalnych (mowa, wzrok), a estetyczne powoli zanikają. 

Fundacja na Rzecz Rozwoju Chirurgii Rekonstrukcyjnej i Przeszczepów Twarzy

Cele tej fundacji na koniec swojego wystąpienia przedstawił dr med. Łukasz Krakowczyk, który jest jednym z kilku współpracujących z organizacją transplantologów. Fundacja po pierwsze wspiera pacjentów w czasie długotrwałej rehabilitacji, powrotu do zdrowia i w stworzeniu dla nich możliwości właściwego leczenia, a także poszukuje osób, które można zakwalifikować do przeszczepu twarzy. Po drugie, poprzez organizację różnego rodzaju szkoleń pomaga lekarzom, pracownikom służby zdrowia oraz wszystkim osobom chcącym szkolić się w dziedzinie chirurgii rekonstrukcyjnej w ośrodkach krajowych i zagranicznych, a same te ośrodki – doposaża w niezbędne urządzenia oraz środki medyczne, które mają podnosić standard działalności leczniczej. Po trzecie, patrząc szerzej, chce budować świadomość społeczną w temacie możliwości chirurgii rekonstrukcyjnej. Do tego wszystkiego dodać należy także, iż Fundacja stara się inicjować i wspierać nowatorskie rozwiązania z zastosowaniem technik chirurgii rekonstrukcyjnej i mikronaczyniowej. 

Aspekty prawne w druku 3D w zastosowaniach medycznych

Tym zagadnieniem zajął się adwokat i aplikant rzecznikowski, Piotr Zawadzki. Od początku wystąpienia zwrócił on uwagę na problem, który wymieniają niemal wszyscy prawnicy, niezależnie od dziedziny, jaką się zajmują – nieścisłość i niejednoznaczność prawa, posługującego się nieprecyzyjnym instrumentem, jakim jest językiem. Prawo własność intelektualnej nie tylko nie jest wyczerpujące, jasne i precyzyjne, ale także jest „nie na czasie”. Na ów własność intelektualną składają się takie komponenty jak: własność przemysłowa (m. in. wynalazki, w tym patenty, wzory użytkowe, wzory przemysłowe), prawa autorskie (prawa do utworów), prawa do bazy danych (prawa chroniące wysiłek włożony w stworzenie bazy) i know-how. W druku przestrzennym szczególnie trudna może okazać się ochrona praw autorskich. Powstaje pytanie, czy wydruk jest utworem? Z definicji, utwór to każdy przejaw działalności twórczej (oryginalnej i kreacyjnej) o indywidualnym (swoistym i niepowtarzalnym) charakterze, ustalony w dowolnej postaci, niezależnie od jego wartości, przeznaczenia i sposobu wyrażenia. Utworem nie jest zaś opracowanie stanowiące jedynie zastosowanie wiedzy technicznej, nawet wysokospecjalistycznej, jeżeli jego treść jest z góry zdeterminowana obiektywnymi warunkami i wymaganiami technicznymi oraz charakterem realizowanego problemu lub zadania technicznego. Odtworzenie i wydrukowanie obrazu narządu teoretycznie nie daje praw autorskich – już pierwsze słowo w tym zdaniu daje nam odpowiedź (działalność odtwórcza). Także stworzenie modelu narzędzia nie daje takich praw, gdyż nie jest to działalność o charakterze indywidualnym (można tu jednak rozważyć implementację prawa do wynalazku).

Na seminarium był też poruszany m.in temat bioprintingu, który znalazł się w prezentacji wspomnianego już dr inż. Dominika Wyszyńskiego, a także Roberta Wciseła (absolwenta Politechniki Lubelskiej, ze specjalnością: Informatyka w Inżynierii Środowiska). Aby jednak nie powielać wiadomości, odsyłamy Was do naszego wciąż aktualnego artykułu, dokładnie omawiającego ten temat.