vol. 5 5/2016 Inżynier i Fizyk Medyczny
282
technologie
\
technologies
artykuł naukowy
\
scientific paper
Wstęp
Intensywny rozwój technologii przyrostowych zauważalny
jest w rozmaitych dziedzinach przemysłu i usług, zapewniając
niemalże nieskończone możliwości aplikacyjne, poczynając od
indywidualnie projektowanych przedmiotów codziennego użyt-
ku, a kończąc na funkcjonalnych częściach wykorzystywanych
w przemyśle samochodowym czy lotniczym. Możliwości do-
starczania wysoko skomplikowanych geometrycznie wyrobów
oraz wykorzystania danych pochodzących z obrazowania me-
dycznego skierowały rozwój badań na zastosowania medyczne.
Wdrożenia technologii przyrostowych do aplikacji medycznych
jest zadaniem wysoce złożonym, z którego wynika interdyscy-
plinarne podejście oraz konieczność bardzo dobrej znajomości
inżynierii oraz medycyny, jak również ścisłej współpracy pomię-
dzy lekarzami i inżynierami. Nieprawidłowe funkcjonowanie,
całkowita lub częściowa utrata funkcji narządu lub tkanki w wy-
niku urazu czy choroby jest obecnie jednym z najważniejszych
problemów zdrowia publicznego.
Z uwagi na kombinację wysokiej wytrzymałości mechanicz-
nej, twardości, łatwości wytwarzania, dobrej odporności koro-
zyjnej wyróżnić należy grupę materiałów metalicznych, które
są biomateriałami najczęściej wykorzystywanymi w produkcji
implantów ortopedycznych ze względu na możliwość przeno-
szenia naprężeń mechanicznych, a tym samym przywrócenie
funkcji życiowych. Biomateriały metaliczne znajdują zastoso-
wanie jako tymczasowe implanty (m.in. płytki mocujące, śruby,
druty) pełniące funkcje stabilizacji złamań przez określony czas,
aż tkanka ulegnie całkowitemu odtworzeniu, wtedy implant
zostaje usunięty, jak również stałe implanty zastępujące części
ciała, spełniające swoją rolę do końca życia pacjenta (np.: takie
jak endoprotezy stawu biodrowego, kolana, barku czy łokcia).
Implanty, jak również inne elementy konstrukcyjne, mogą
ulec zniszczeniu wywołanemu zbyt wysokimi obciążeniami
mechanicznymi, w wyniku nadmiernego tarcia czy degradacji
korozyjnej. Kombinacja elektrochemicznego procesu korozji
oraz cyklicznego obciążenia mechanicznego może przyspieszyć
uwalnianie cząstek i jonów metali, co prowadzi do przedwcze-
snego uszkodzenia implantu i konieczności reimplantacji [1-2].
Ponadto, degradacja metalicznych implantów wewnątrz ciała
ludzkiego może nie tylko naruszyć integralność materiału, lecz
także stwarzać problemy zgodności biologicznej, takie jak reak-
cje infekcyjne lub alergiczne, co prowadzi do przedwczesnego
usuwania implantu. Pozostałości procesu degradacji są szkodli-
we dla tkanek, które stykają się z implantem i mogą przedosta-
wać się do krwiobiegu, odkładać w narządach, utrudniając ich
funkcje [3-4].
Tak więc pojawia się potrzeba poszukiwania innych biomate-
riałów do wytwarzania implantów, które będą charakteryzować
się odpornością na zmęczenie i ścieranie, i przede wszystkim
wysoką odpornością na korozję. W przypadku implantów czaso-
wych ważnym aspektem jest również zdolność do biodegradacji
w organizmie w kontrolowanym tempie, dzięki czemu nie będzie
konieczności usuwania elementów stabilizacyjnych po zakoń-
czonym procesie regeneracji tkanki. Implanty ceramiczne są
obiecującym rozwiązaniem dla pacjentów z alergią na materiały
metaliczne. Wiele rodzajów bioceramiki wykazuje wysokie wła-
ściwości biokompatybilne i bioinercyjne, a dodatkowomawłaści-
wości pobudzania komórek kostnych do rozwoju i formowania
funkcjonalnych tkanek [5]. Materiały ceramiczne nie wywołują
reakcji alergicznych, najczęściej służyły jako pasty stabilizujące
implanty metaliczne. Badania nad wykorzystaniem ceramiki
w medycynie rekonstrukcyjnej mają długą historię, rozpoczęły
się już w 1892 roku wraz z implantacją uzupełnienia ubytków
gruźliczego zapalenia szpiku przeprowadzoną przez Dreesmana
z wykorzystaniem siarczanu wapniowego [6]. W drugiej połowie
XX wieku miała miejsce ewolucja cementów ceramicznych na ba-
zie hydroksyapatytu i fosforanów wapnia. Aktualne postępy do-
konywane są wraz z rozwojem produktów inżynierii tkankowej,
powstawaniem nowych metod wytwarzania czy rozwojem wie-
dzy o wzbogacaniu ceramiki o czynniki wzrostu, leki i hodowle
komórkowe. Najczęściej wykorzystywane postacie materiałów
ceramicznych to granulaty, bloki czy formowalne pasty, jednak-
że charakteryzują się niskimi właściwościami mechanicznymi,
dodatkowy problem stanowią mocowania stabilizujące, które są
niezbędne w przypadku tego typu struktur. Warto jednak zwró-
cić uwagę, iż takie formy leczenia przynoszą obiecujące efekty
w postaci wspomagania i stymulowania regeneracji ubytków
kostnych, dlatego też ceramika jest grupą materiałów bardzo
intensywnie rozwijanych. Potencjał ceramiki jako biomateriału
wynika bezpośrednio z jej trwałości chemicznej w środowisku
fizjologicznym. Ponadto ceramika może składać się z jonów po-
wszechnie występujących w środowisku fizjologicznym (wapnia,
potasu, magnezu, sodu, itd.), przez co dostarczać komórkom
kościotwórczym niezbędnych substancji odżywczych wspoma-
gających ich wzrost. Tak więc, nawet w tych przypadkach, w któ-
rych ceramika może ulegać degradacji długoterminowej, stęże-
nie jonów w sąsiednich tkankach jest łatwo kontrolowane przez
naturalne mechanizmy regulacyjne organizmu [7-8].
Dążąc do zastąpienia implantów metalicznych ceramicznymi
najważniejszym czynnikiem decydującym będą uzyskiwane wła-
sności mechaniczne. W celu uzyskania materiałów ceramicznych
o właściwościach zbliżonych do tkanki kostnej prowadzone są
liczne badania, w zakresie metod otrzymywania, modyfikacji
składów czy struktury materiałowej, a także nowoczesnych
metod przetwarzania. Na chwilę obecną całkowita eliminacja
implantów metalicznych nie jest możliwa zwłaszcza w przypad-
ku wytwarzania implantów stałych, jednakże wraz z rozwojem
nowoczesnych technologii otwierają się możliwości wytwarza-
nia indywidualizowanych uzupełnień ubytków kostnych w ob-
szarach nieprzenoszących znaczących obciążeń. Wykorzysta-
nie danych pochodzących z obrazowania medycznego w celu
zaprojektowania i wytworzenia implantu dopasowanego do
konkretnego przypadku możliwe jest z wykorzystaniem narzę-
dzi CAx oraz technologii przyrostowych. Ta innowacyjna tech-
nologia wytwarzania w ostatnich latach przeszła rewolucję: od