Jak jsme již informovali dříve, VŠCHT Praha uspěla ve výzvě Technologické agentury ČR na podporu aplikovaného výzkumu, experimentálního vývoje a inovací Národní centra kompetence. Jedním ze sedmi podpořených žadatelů byl i profesor Dalibor Vojtěch, který na univerzitě působí jako vedoucí Ústavu kovových materiálů a korozního inženýrství a zároveň jako prorektor pro vědu a výzkum. Příštích šest let bude jeho tým součástí Národního centra kompetence Mechatroniky a chytrých technologií pro strojírenství (MESTEC II), které získalo dotaci přesahující 200 milionů korun.
„Projekt je zaměřený na čistě aplikovaný výzkum v oblasti strojírenství, chemických technologií, nových materiálů a medicíny. Je to společný projekt VUT Brno (hlavní řešitel), VŠB-TU Ostrava, VŠCHT Praha, ČVUT a Ústavu fyziky materiálů AV ČR spolu s 25 komerčními firmami. Je rozdělen do 12 dílčích projektů, přičemž my garantujeme jeden z nich, který se týká 3D tisku implantátů a nástrojů pro zdravotnické využití. Finanční podpora pro nás činí zhruba 25 milionů,“ říká profesor Vojtěch.
Římská číslice v názvu implikuje, že jde o navazující projekt.
Ano. V podobném složení jsme realizovali už projekt MESTEC I, také v rámci výzvy Technologické agentury ČR.
Co je cílem aktuálního projektu?
V naší části je to využití technologie 3D tisku pro výrobu individuálních implantátů pro lidskou i veterinární medicínu, zejména pak kostních a kloubních náhrad vyrobených na míru pro konkrétního pacienta. Obecně je pak cílem celého projektu MESTEC II vytvořit konkrétní moderní technologie pro 21. století, které budou levnější než stávající, méně zatěžující pro životní prostředí, digitalizované a široce využívané v běžném životě.
Můžete přiblížit principy 3D tisku kovových implantátů a jeho výhody oproti klasické výrobě?
3D tisk umožňuje realizaci individuálních implantátů pro konkrétního pacienta na míru, což je úžasné. Zjednodušeně řečeno, do 3D tiskárny nasypete kovový prášek a na základě počítačového modelu implantátu vám zařízení vytiskne požadovaný tvar. Tradiční výroba standardizovaných implantátů, které se liší pouze odstupňovanou velikostí, toto neumožňuje. Navíc 3D tisk šetří energii i materiál. Vezmeme-li nejhojněji používaný materiál – titan –, je výroba individuálního implantátu formou 3D tisku o 70 % levnější než klasická výroba, kdy z titanové tyče výrobek soustružíte a frézujete a máte až 80 % odpadu.
Na vývoji implantátů spolupracujete dlouhodobě s českou firmou ProSpon. Jak máte rozdělené role?
ProSpon je strojírenská firma, kde mají k dispozici průmyslové zařízení na 3D tisk titanových implantátů. Zároveň jako jediní v České republice mají evropskou certifikaci na výrobu těchto implantátů 3D tiskem. Prakticky to funguje tak, že přijde zadání od lékaře, který potřebuje určitý implantát pro konkrétního člověka. Firma ho namodeluje např. v AutoCadu, propočítá rozměry, mechanická zatížení atd. Vyrobí se přibližný vzorek a nastupujeme my s tím, že analyzujeme pevnost, vnitřní strukturu, případné defekty, chemické chování, biologickou snášenlivost. Pojmenujeme chyby, dáme doporučení, na jejichž základě se postup výroby upraví. A takhle to pokračuje až do stavu, kdy je vše z medicínské stránky v pořádku.
Jaké kovy se pro lékařské implantáty využívají?
Je jich celá řada, od korozivzdorných ocelí přes kobalt až po titan. Pro 3D tisk je v ČR schválen zatím jen čistý titan nebo slitina 90 % titanu, 6 % hliníku a 4 % vanadu. Ani jedna varianta nemá optimální vlastnosti pro specifické potřeby lékařů, a proto jsou vyvinuté nové slitiny. Jenže trvá velmi dlouho, než se jejich využití v medicíně schválí příslušnými evropskými a českými orgány.
V čem spočívají největší problémy technologie 3D tisku kovových implantátů?
Titan má teplotu tání více než 1600 stupňů, takže tisk s laserovým paprskem probíhá za velmi vysokých teplot a mohou během něj vznikat dutiny, bubliny, znečištění, což u finálních produktů být nesmí. Proto děláme rozbory čistoty, vnitřní struktury, defektů. Zkoumáme i složení vstupních kovových prášků, jestli obsahují to, co výrobce deklaruje.
Kdo je hlavním odběratelem finálních produktů?
Ortopedie a traumatologie. Kromě implantátů se vyvíjí i instrumentárium pro zavádění nových implantátů. Hodně věcí děláme i pro veterinární pracoviště. Tam je proces zavedení do praxe, který jindy trvá několik let, rychlejší, a to díky snazší schvalovací proceduře. V předešlém projektu MESTEC I jsme se zabývali primárně humánními implantáty, v tom aktuálním řešíme více věci pro veterinární medicínu.
Stalo se vám někdy, že za vámi přišel zadavatel s něčím, co nakonec nešlo vyrobit?
Firma, s níž spolupracujeme, má tradici od roku 1993 a naše spolupráce s ní trvá již více než 15 let. Takže za tak dlouhou dobu už víme, co lze vyrobit, a co už ne. Prostě se takový úkol odmítne předem a do vývoje se vůbec nedostane.
Co je největším uměním při přípravě nových implantátů?
Aby měly dobrou biokompatibilitu a tělo je dobře přijalo, kost prorostla a pevně se spojila s implantátem, aby nevznikaly záněty – to se u tradičních implantátů často děje, byť se o tom nemluví. Plus musí implantát splňovat mechanickou funkci, protože zatížení kloubů je specifické, je tam spousta protichůdných tlaků. Novým trendem je, že jádro implantátu je plné, ale povrch porézní, právě kvůli usnadnění prorůstání kostí a zároveň zachování pevnosti. A aktuálně například vyvíjíme technologii, jež umožní, aby implantát do sebe uměl v porézní části absorbovat léky proti zánětu a po implantaci by se, v případě potřeby, tyto léky aktivovaly, třeba vnějším zdrojem tepla nebo záření.
Fascinující. Čím dalším se Vaše skupina zabývá?
Naše gros jsou kovy pro medicínu. Kromě titanu se také zaměřujeme na tzv. resorbovatelné kovy, určené zejména pro traumatologii, jež se po splnění funkce rozpustí a z těla vyloučí. Typicky jde o šrouby a dlahy pro fixace zlomenin. Tradičně se používá zmiňovaný titan, který, když to nevadí, zůstává v kosti navěky. Ale když šroub mechanicky překáží, musí se udělat druhá operace, což zatěžuje lékaře, pacienty, je to ekonomicky náročné. Plus každá operace znamená riziko zdravotních komplikací. Máme proto vyvinutý materiál, který se po určité době rozpustí, bude mít požadovanou pevnost, nebude degradovat ani moc rychle ani moc pomalu, a samozřejmě nebude pro tělo jedovatý. Bezpečné hladiny kovů, které lidské tělo snese, jsou nicméně známy, takže víme, co si můžeme dovolit.
O jaký materiál jde?
O hořčíkovou slitinu, především na krátkodobé fixace funguje dobře. Při biodegradaci hořčíku ale někdy vzniká plynný vodík, zejména když je v těle implantát dlouho. Proto vyvíjíme i materiály na bázi zinku. Tělo ho sice snáší menší množství než v případě hořčíku, ale zinek degraduje pomaleji, a díky tomu se ho do těla najedenou neuvolňuje tolik. Pro dlouhodobější implantáty má tudíž dobrou perspektivu. Těší mě, že jsme byli první na světě, kdo tuto perspektivu v roce 2011 objevil a popsal.
Jaké přístroje a metody při práci nejčastěji využíváte?
Hodně nám pomáhá slinovací zařízení Spark Plasma Sintering, které umí slinovat materiály velice rychle a efektivně. Tradiční metoda slinovaní metalurgických prášků trvá několik hodin, našemu stroji to zabere zhruba deset minut. Také nám umožňuje slinovat materiály, které jinak vyrobit nejdou. Dále používáme elektronovou mikroskopii, stroje na testování pevnosti, děláme testy in vitro, jak se chová slitina v tělních tekutinách. Na biologických testech pak již dlouhá léta spolupracujeme s kolegy z Ústavu biochemie a mikrobiologie.
