Pacient mal zdevastovaných až 86 percent tváre, no aj tak sa mu dalo pomôcť. A to vďaka tímovej práci pod vedením dvoch vedcov a špičkových inovátorov. Prvým z nich je profesor Jozef Živčák, riaditeľ Ústavu špeciálnych inžinierskych procesológií a vedúci Katedry biomedicínskeho inžinierstva a merania na Strojníckej fakulte Technickej univerzity v Košiciach. Druhým je docent Radovan Hudák, jeho kolega a súčasný zástupca na ústave a katedre.
Tomuto vedeckému tímu sa podarilo unikátne svetové prvenstvo v oblasti biomedicínskeho inžinierstva a implantológie. Vyrobili a aplikovali prvý maxilofaciálny škrupinový a porézny titánový implantát na svete, práve pre slovenského pacienta.
Ako uvádza profesor Jozef Živčák, na začiatku boli požiadavky na zlepšenie kvality života pacientov s kraniálnym a maxilofaciálnym poškodením. „Naše konštrukčné a materiálové návrhy sú originálne. Uplatňujeme v nich biomimetickú aproximáciu a výrobu technológiou laserového sinterovania v tzv. škrupinovom usporiadaní na mieru. V priebehu procesu vývoja nás motivovalo aj to, že sme ako prví na svete aplikovali túto technológiu s uvedenou procesológiou.“
Docent Radovan Hudák vysvetľuje, že biomedicínske inžinierstvo je krásne svojim poslaním – inžinierskym
myslením, nápadmi, inováciami, vývojom a výrobou nových zariadení, respektíve pomôcok, ktoré pomáhajú navrátiť alebo podporiť zdravie ľudí. „Motivovalo nás hľadanie niečoho nového, výroba inovatívneho medicínskeho výrobku, implantátu, ktorý je unikátny svojou funkciou a tvarom. Hlavnou referenciou a zároveň inšpiráciou je teda ľudské telo. Veda, ktorá aplikuje inšpiráciu z prírody, sa nazýva bionika. A biomimetické princípy sú dnes kľúčové, pretože najviac zohľadňujú individuálny prístup k pacientovi. Pre využitie aditívnej výroby, ktorú dnes ľudia vnímajú pod názvom 3D tlač, nás inšpirovali najmä naše zahraničné stáže.“
Táto technológia sa podľa neho na Slovensku v oblasti medicíny takmer neaplikovala. „My sme začali s aditívnou výrobou z kovu, konkrétne medicínskej zliatiny titán. Práve v nich sme videli obrovský nevyužitý priestor a potenciál. Oproti konvenčným výrobným technológiám aditívna výroba umožňuje aplikovať biomimetické princípy vo forme extrémne tenkostenných konštrukcií, voľných tvarov, poréznych štruktúr a podobne.“
Profesor Jozef Živčák, ktorý je tiež historicky prvým profesorom biomedicínskeho inžinierstva v bývalom Československu a položil základy tohto odboru aj na Slovensku, hovorí, že doteraz bolo vykonaných už 25 implantácií rôznych typov týchto implantátov na Slovensku (v Košiciach, Martine, Nových Zámkoch). „Z hľadiska biomechanických úrovní ide o statické a dynamické implantáty, z hľadiska štruktúry materiálu o hladké a porezné implantáty a z hľadiska architektúry ide o škrupinové implantáty. Životnosť všetkých implantátov je neobmedzená,“ tvrdí profesor, ktorý sa invazívnej implantológii venuje už 20 rokov.
Väčšina implantátov je svetovým unikátom svojím tvarom, spôsobom fixácie, veľkosťou, ale aj cielenou aplikáciou poréznych štruktúr. Vedci používajú overenú zliatinu titánu, ktorá má veľmi dobré biomechanické vlastnosti a je biokompatibilná. „Jej limity a nevýhody sú predmetom nových projektov a štúdií, pretože nové technológie a materiály, najmä 3D biotlač, umožňujú stále viac sa približovať k prírode,“ priblížil docent Radovan Hudák.
Aký je vlastne záujem o tieto implantáty na Slovensku a v Európe? Ako vysvetľuje profesor Jozef Živčák , po aplikovaní prvých implantátov vznikol tzv. synergický informačný efekt. „Reprezentuje to známe a osvedčené – dobro sa šíri samo. Pacienti si nás vyhľadávajú sami na základe prezentovaných referencií. V európskom a vo svetovom merítku sú naše implantáty známe z dôvodu jedinečnej technológie a originálnej vlastnej konštrukcie.“
Jeho kolega docent Radovan Hudák k tomu pridáva: „Záujem je veľký, ale musím priznať, že na začiatku to bolo ťažké. Museli sme prekonať bariéry najmä u lekárov, ktorých sme potrebovali presvedčiť o tom, že to čo robíme, je nielen unikátne, ale aj kvalitné a na svetovej úrovni. Po niekoľkých operáciách a tlačových konferenciách sa to už rozbehlo, pacienti začali kontaktovať lekárov a požadovali naše implantáty. Zahraničie sme presvedčili najmä počtom úspešných operácií a unikátnosťou implantátov, ako boli napríklad 86-percentná náhrada tváre s poréznou štruktúrou, rozsiahle kranioplastiky, respektíve dilatačný implantát sánky.“
Dvojica vedcov má ďalej v pláne zdokonaľovať už jestvujúce implantáty z hľadiska členenia konštrukcie, uplatnenia poreznosti a perforácie. V druhej časti rozvoja aplikácie materiálov pôjde o nový druh materiálov, ktorý nebude vytvárať artefakty a bude mať základné podmienky biokompatibility a pevnostných úrovní.
Docent Radovan Hudák je presvedčený, že systémy a vývoj v oblasti materiálového inžinierstva už dnes prinášajú nové materiály. „Progresívny je napríklad polymér s označením PEEK. Jeho pevnosť je takmer porovnateľná s pevnosťou ľudskej kosti a je transparentný pre využívané diagnostické metódy, čo otvára nové možnosti napríklad u onkologických pacientov. V dôsledku jeho inertnosti je však potrebné pristúpiť k tvorbe kompozitov na báze PEEK-u, resp. povrchovým úpravám. Veľký potenciál majú aj keramické materiály tvarované aditívnymi procesmi, respektíve zliatiny na báze magnézia, a najmä bioresorbovateľné polyméry a hydrogély, ktoré budú v budúcnosti reprezentantmi regeneratívnej medicíny a aditívnej výroby označovanej ako 3D biotlač alebo bioaditívna výroba.“
Vývoj a výroba implantátu si vyžaduje naozaj svoj čas.Fáza počiatočného vývoja, výroby a implementácie implantátu trvala podľa profesora Živčáka takmer tri roky. „Druhý pohľad je zameraný na opakovateľnosť výroby implantátov s istým stupňom upgradu, ktorý trvá zhruba 3 mesiace. Uvedený obsah výskumu si vyžaduje komplexnú znalosť konštrukčných a technologických procesológií s podporou IT technológií. A v neposlednom rade aj vlastné skúsenosti celého reťazca od výskumu až po implementáciu. Naše implantáty sú šité na mieru pre každého pacienta. Sú to teda neopakovateľné originály.“
Docent Radovan Hudák vysvetľuje, že ak sa vyrába individuálny implantát konkrétnemu pacientovi, dĺžka jeho vývoja je výrazne individuálna. „Dnes napríklad štandardný kraniálny titánový implantát vieme navrhnúť a vyrobiť do dvoch týždňov od zadania požiadavky. Ak však ide o komplexnú náhradu viacerých štruktúr, integrujúcich napríklad kĺb alebo inú biomechanicky zaťažovanú oblasť, vývoj môže trvať aj niekoľko mesiacov. Veľmi dôležité je prepojenie výskumnej a vývojovej sféry, najmä našej Katedry biomedicínskeho inžinierstva a merania s inými pracoviskami, kde prebieha testovanie, simulácia, diagnostika a iné verifikačné a validačné procesy.“
Výskum uvedenej oblasti si vyžaduje združené prostriedky a tzv. viaczdrojové financovanie, hovorí profesor Jozef Živčák. „Na našom pracovisku sa s implantológiou a s implantátmi zaoberáme od roku 1996. Na základe skúseností, potrieb a požiadaviek sme definovali cieľové a účelové funkcie, z ktorých vznikli limity pre náročnosť technológií, vedecko-výskumný personál, ako aj perspektívne a reálne potreby implementácií. Do uvedené ho výskumu, vývoja a výroby implantátov sme preinvestovali približne 2,5 mil. eur v systéme vlastných a projektových financií.“
Docent Radovan Hudák pripomína, že k týmto investíciám treba zahrnúť aj využívanie výskumno-vývojových a verifikačných technológií v hodnote za viac než 3 milióny eur, ktoré ich taktiež radia medzi svetovú špičku. „Rozpracované máme ďalšie projekty v hodnote 15 miliónov eur, ktoré nás môžu posunúť oveľa ďalej a priniesť aj inovácie, ktorými budeme nastavovať trendy v oblasti implantológie zo Slovenska do celého sveta.“
Dvojica vedcov má pred sebou aj nové projekty vychádzajúce z nadstavby doterajších projektov. Sú obohatené o nové algoritmy technologického a materiálového vybavenia. „Podporujeme filozofiu bližšej aproximácie biomimetiky. Oblasť výskumu biomedicínskeho inžinierstva patrí medzi kľúčové výskumné platformy súčasnosti a budúcnosti,“ hovorí profesor Jozef Živčák.
Pripravované projekty sú reakciou na ich doterajšie skúsenosti a poznatky, ako aj požiadavky klinických pracovníkov, s ktorými vedci spolupracujú. „Získali sme nové významné projekty na Slovensku (označované ako projekty Agentúry Pre Vedu a Výskum), v rámci ktorých vyvíjame vlastné materiály a modifikujeme výrobné technológie. Oslovili nás aj významné zahraničné inštitúcie so žiadosťou o partnerstvo v európskych projektoch Horizon 2020 (napríklad Aalto University vo Fínsku a University of Maribor v Slovinsku). Úspešní sme aj v oblasti aditívnej výroby bioresorbovateľných materiálov s využitím 3D bioplotrov, kde vidíme obrovskú budúcnosť. Niektoré futurologické štúdie hovoria o tom, že 3D biotlač bude o približne 20 rokov súčasťou každej nemocnice, kde sa robia rekonštrukčné chirurgické zákroky a my chceme byť na tieto vízie pripravení,“ uzavrel docent Hudák.
Projekt bol realizovaný spoločnosťou CEIT Biomedical Engineering, s. r. o. v spolupráci s Katedrou biomedicínskeho inžinierstva a merania Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach. CEIT Biomedical Engineering je stredoeurópskym priekopníkom vo vývoji a výrobe medicínskych implantátov na mieru s pomocou trojdimenzionálnej materiálovej tlačiarne (3D) metódou priameho laserového sinterovania kovového prášku (technológia Direct Metal Laser Sintering).
Informácie poskytli: prof. Jozef Živčák a doc. Radovan Hudák zo Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach
Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR
Foto: Dimenzie, 09 – 10 2016 (http://www.sjf.tuke.sk/images/contents/dimenzie-09.pdf)