Nagyszabású, új generációs orvosi implantátumfejlesztés kezdődött a Műegyetemen

Az emberi szervezetbe beépíthető, az életminőséget javító és egyedi igényekre szabott segédeszközök gyártástechnológiájának fejlesztésére kapott támogatást a BME.

„Páratlan ipari és egyetemi összefogás eredménye ez a nemrégiben elindult kutatás, amellyel célunk, hogy segítsünk az embereken egy magas minőségű élet feltételeinek megteremtésével” – összegezte a versenyképes és hosszútávon költség- és erőforrás-kímélő minőségi orvos-biológiai eszközök gyártási lehetőségeit és komplett folyamatait vizsgáló feltárás célját Takács János, a Közlekedésmérnöki és Járműmérnöki Kar Gépjárműtechnológia Tanszék egyetemi tanára, a tudományos projekt egyetemi koordinátora.

A virtuális és a valós prototípusgyártással, valamint számítógépes gépészeti- és építőmérnöki tervezéssel foglalkozó VARINEX Zrt-vel, mint ipari partnerrel három évig tartó közös munkában a BME egyetlen felsőoktatási konzorciumi tagként vesz részt. A projekt a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap támogatásával valósul meg: a több mint 745 millió forint juttatás jelentős részét, 599 millió forintot a Műegyetem fordíthat a témához kapcsolódó tudományos tevékenységre. (A pályázat teljes címe: „Egyénre szabott orvos-biológiai implantátumok és segédeszközök új generációs gyártási folyamatainak kidolgozása additív technológiákra” – szerk.) Cél az adatgyűjtés- és feldolgozás, CT-felvételek alapján a modellezés, a virtuális gyártás, a tervek „3D nyomtatása” és az ellenőrző minták validálása. A partnerek egy kutató-fejlesztő és gyártó technológiai mintarendszer, továbbá egy smart üzem kialakítására is törekednek, ahol rendszerszinten tárják fel az egyedi, az emberi szervezetben magasabb fokú biokompatibilitást és a gyorsabb gyógyulást lehetővé tevő implantátumok előállítási lehetőségeit.

Takács János felvázolta a korábban használt emberi implantátumokhoz kapcsolódó aggályokat, amelyek egyben a mostani kutatás ösztönzői is lettek: „a protézisek jelentős részénél körülbelül másfél évtized a biztonságos működés várható ideje, ezután cseréjükre lehet szükség, amely a páciensek újabb operációjával, majd rehabilitációjával jár együtt. Az implantátumokat rendszerint csontcementbe (orvosi műgyantába) kötik, és az eltávolításukkor az emberi szövet is roncsolódhat. További nehézséget okoz az is, hogy az orvosok csak adott protézis-méretsorozatból választhatnak, amelyek nem veszik figyelembe a betegek egyéni testi adottságait, így azokat a páciensek kényelmetlennek érezhetik használat közben”. A műegyetemi kutatók újfajta gyártási technológia kidolgozásával orvosolják ezeket a problémákat, és jelenleg pórusos, rácsos belső szerkezetű, hártyaszerű lyukacsos peremfelületű, az emberi csontszerkezet merevségét, rugalmasságát, fajsúlyát, erő- és teherviselő képességét legjobban megközelítő, 3D nyomtatással műanyag-, illetve fémporrétegekből felépített implantátumok megalkotásán munkálkodnak.

Fémporból (titán-alumínium-vanádium por) lézeres összeolvasztással állítják elő a próbatesteket olyan eljárással, amely lehetővé teszi vékony rések és egészen apró furatok kivitelezését is. A 20-30 mikrométeres porréteget a mintatest kontúrjának vonalában jár körül egy lézernyaláb, e közben összeolvasztja a porszemcséket, majd a belső területeket átfedéssel pásztázva olvasztja össze. A következő rétegben ugyanezt megismétli a lézeres olvasztó egészen addig, amíg a tárgy elkészül, azaz a prototípus elnyeri végleges formáját, relatív rövid idő alatt.

A fémek mellett műanyag alapanyagokkal is kísérleteznek a projektben a Polimertechnika Tanszék kutatói. A Gépészmérnöki Karon rendelkezésre állnak olyan berendezések, amelyek segítségével polimerből további implantátumokat (például koponyacsont-helyettesítőt vagy a törések kezelésére használt gipsz helyett alkalmazható bandázsokat) és műtéti egészségügyi kiegészítő berendezéseket (például orvosi fúrókészülékeket) is készítenek.

„Fejlesztéseinkkel a változó ipari és egyéni felhasználói igényekkel próbálunk lépést tartani. Orvos-mérnök konzultáció keretében szoros kapcsolatot ápolunk majd a ’végfelhasználóval’, azaz a beültetést végző orvossal és a páciensekkel bízva abban, hogy együttes erővel a lehető legjobb megoldást dolgozzuk ki” – ecsetelte a műegyetemi koordinátor. Hozzátette, a kísérleti projektbe elektronikusan elérhető orvosdiagnosztikai digitális képi anyagokkal és adatbázissal rendelkező partnerek jelentkezését várják majd; a legyártható modellek tervét ezen betegadatokra alapozzák a konzorciumi társulás, azaz a GPK BKK, a MOGI és A KJKDIL szakemberei.

A műegyetemi kutató örömmel fogadta a pályázat sikerét. „Az európai uniós csatlakozást követően a közösségi források jelentős része a hátrányos helyzetű konvergencia régiókhoz került, a központi területek intézményei több évig csak csekély finanszírozási és eszközbeszerzési lehetőséghez jutottak hozzá. Ez a program hazai forrásból (NKFIH) a közép-magyarországi régióra kiírt pályázat alapján valósul meg. A mostani projekttámogatás jelentős előrelépés mind a karok, mind a Műegyetem életében” – értékelte az eddigi eredményeket Takács János. A program keretében az intézményi szakemberek egy Magyarországon egyedülálló, különböző feltételek melletti, kutatásra alkalmas 3D lézersugaras direkt olvasztó berendezés beszerzését tervezték és valósítják meg a Gépjárműtechnológia Tanszéken.

„Más felsőoktatási intézményekben fellelhető hasonló elvű eszközök nem paraméterezhetők, azaz csak adott feltételek melletti technológiákra alkalmasak. Új anyagokkal vagy anyagok kombinációjával sem lehet kísérletezni, ám a beszerezni kívánt, közel 100 millió forint értékű ’nyomtató’ ennél sokkal szélesebb körű lehetőségekkel kecsegtet: szabadon paraméterezhető, egyszerre több modell előállítására is használható, továbbá a magasfokú automatizált eljárással biztosított az egyedi mintatestek létrehozása” – ismertette a részleteket Takács János.

A tudományos projekt kutatói egy további új eszköz segítségével elemzik a prototípusok tulajdonságait: az ún. gyors anyagösszetétel-vizsgáló spektrométer támogatásával az implantátumok és környezetük oxigén-, nitrogén-, valamint a ridegtörésért felelős hidrogéntartalmát kísérik figyelemmel. Az új berendezés képes a karbontartalom megállapítására is (a szükséges pontossággal), amelyre más gyorselemző technikák nem képesek. A prototípusok mellett próbatesteket gyártanak a mechanikai vizsgálatokhoz is, így az összetétel mellett a fizikai tulajdonságokat elemezhetik az ATT, a PT, a BKK és GJT szakértői.

A finomszerkezet-vizsgálatokat egy új elektronmikroszkóp segíti az Anyagtudomány és Technológia Tanszéken. A GT3, a JJT és GJT kutatói egy saját belső makroszerkezet-felépítő folyamatot dolgoznak ki, amely segítségével kapott testmodellen véges elemes modellezés segítségével azt tanulmányozzák, hogy a darab képes-e ellátni a rendeltetésszerű funkcióját normál és szélsőséges terhelési körülmények között.

Takács János a kísérletek szemléltetésére egy gyakorlati példát is bemutatott. Az első vizsgálatokon a kézközépcsont pótlására alkalmazott implantátum jellemzőit veszik górcső alá. „E minta mechanikai igénybevételei nagymértékben hasonlítanak a csípőprotézisek sajátosságaihoz, így támpontot adhatnak a nagyobb méretű mesterséges beültetések további fejlesztéséhez.” A kutatók szeretnék elérni, hogy a protézisek a korábbinál hosszabb élettartammal rendelkezzenek, és az új eszközökkel a páciensek akár újabb operáció nélkül teljesebb életet élhessenek. A szakember bízik abban, hogy a legújabb innovatív eredmények rövid időn belül a műegyetemi oktatás részévé is válnak. A kutatási feladatokba már eddig is bevonták a hallgatókat. Ennek eredményeképpen több sikeres tudományos diákköri dolgozat és publikáció született az új generációs implantátumok kialakításának lehetőségeiről.

TZS - GI

Fotó: Takács Ildikó