Implanty, które rewolucjonizują medycynę
Implant chirurgiczny, który przerasta kością pacjenta, a po kilkunastu miesiącach znika z organizmu – to nie science-fiction, lecz efekt pracy grupy naukowców, między innymi z Politechniki Śląskiej. Dr inż. Małgorzata Muzalewska i dr inż. hab. Marek Wyleżoł, prof. PŚ z Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Wydziału Mechanicznego Technologicznego są częścią zespołu, który opracował personalizowane implanty drukowane 3D – bioresorbowalne i kościotwórcze. To nowatorskie rozwiązanie pomogło już kilkunastu pacjentom w Polsce i w Ukrainie.
Przełom w neurochirurgii dziecięcej
Czteroletnia dziewczynka z Mikołajowa w Ukrainie ulega koszmarnemu wypadkowi. Lekarze ratują jej życie, ale nie są w stanie nic poradzić na ogromny ubytek kości – w wyniku wypadku dziewczynka ma w głowie dziurę, stanowiącą niemal jedną trzecią powierzchni czaszki. Dziecko żyje, ale nawet drobny uraz może być dla niej śmiertelnym zagrożeniem. Ukraińscy neurochirurdzy szukają pomocy za granicą – w ogarniętym wojną kraju, tak skomplikowane operacje kranioplastyczne są praktycznie niemożliwe do przeprowadzenia. Ubytki kości zazwyczaj uzupełniane są kością rodzimą, pobieraną z innych części układu kostnego operowanego pacjenta. Takie zabiegi są czasochłonne i ze względu na destabilizację systemu ochrony zdrowia w Ukrainie, obecnie praktycznie nie są przeprowadzane. Ponadto ubytek kości jest ogromny, a dziecko rośnie, dlatego zabiegi trzeba byłoby przeprowadzać wielokrotnie. Nie ma takich implantów, które nie zdeformowałyby główki dziecka pod wpływem jej wzrostu, a wielokrotne operacje są wyczerpujące fizycznie dla małego pacjenta. Pavlo Plavskij, kierownik oddziału neurochirurgii Narodowego Specjalistycznego Szpitala Dziecięcego „Ohmatdyt” w Kijowie, największej takiej placówki w Ukrainie, kontaktuje się z polską firmą Syntplant, która między innymi z naukowcami z Politechniki Śląskiej i Poznańskiej, opracowuje w ramach projektu naukowego, bioresorbowalne implanty biodegradowalne do zabiegów rekonstrukcji kości. Firma posiada stosowne tworzywo w postaci filamentu do drukarek 3D oraz technologię wytwarzania implantów. Brakuje konstrukcji implantu, który po wszczepieniu będzie „rosnąć” razem z dzieckiem. W zespole naukowym pracują dr inż. Małgorzata Muzalewska i prof. Marek Wyleżoł z Politechniki Śląskiej i to oni podejmują wyzwanie jakim jest opracowanie implantu dla dziewczynki z Mikołajowa. Ona jest inżynierem biomedycznym, on inżynierem mechanikiem. Wykorzystując najnowsze technologie modelowania wirtualnego z sukcesem opracowują modele bioresorbowalnych implantów kości. Ich znakomita współpraca po raz kolejny zaowocuje nowatorskim rozwiązaniem.
Modelowa współpraca
– Moją rolą jest modelowanie struktur anatomicznych pacjenta – wyjaśnia dr inż. Małgorzata Muzalewska. – Ponieważ nasze implanty są personalizowane, zawsze początkiem mojej pracy są wyniki badań tomografii komputerowej. Na ich podstawie, przy pomocy specjalistycznego oprogramowania opracowuję wirtualny model anatomiczny, następnie prof. Wyleżoł, wykorzystując technikę modelowania haptycznego tworzy model implantu uzupełniającego ubytek, dopasowanego do krzywizn danej kości.
– Naszą ambicją jest to, aby nasze implanty wszczepiane pacjentom wyglądały jak najbardziej anatomicznie, a najmniej technicznie – dodaje profesor, podkreślając, że dotąd, od ponad 24 lat, zajmował się modelowaniem wirtualnym również hobbystycznie. – Mamy na Uczelni sprzęt do modelowania realizowanego haptycznie. Jest to bardzo skomplikowana i rzadko stosowana w Polsce technika modelowania wirtualnego, doskonale nadająca się do tworzenia modeli elementów układu kostnego, czyli takich, które nie mają typowych cech geometrycznych, tak charakterystycznych dla techniki.
Efektem żmudnej pracy naukowców było utworzenie dla małej pacjentki modelu implantu, którego konstrukcja została oparta na układzie połączonych płaskich żeberek, układających się w postać krzywizn czaszki. Naukowcy nazwali implant adaptacyjnym, ponieważ „rośnie” razem z dzieckiem. Cechuje go podatność na naprężenia występujące pomiędzy implantem a brzegiem czaszki, rozszerzającej się podczas wzrostu. Dzięki specjalnym rowkom pomiędzy żeberkami, implant może się celowo odkształcić, przez co organizm zyskuje przestrzenie do wzrostu kości. Implant został z sukcesem wszczepiony 4-letniej dziewczynce pod koniec 2022 roku. W kolejnych miesiącach, naukowcy z Politechniki Śląskiej opracowali dla dwójki dzieci, w wieku 6 i 8 lat, podobnej konstrukcji implanty, które również zostały z powodzeniem wszczepione. Operacje wykonano w ramach pomocy społecznej, nieodpłatnie dla pacjentów, dzięki funduszom z grantu. Na prośbę lekarzy, w trosce o dobro pacjentów, informacje o nowatorskich zabiegach zostały podane do wiadomości ze sporym opóźnieniem. Cała trójka dzieci ma się dobrze, co oznacza, że praca naukowców otworzyła nowe możliwości w dziedzinie implantologii dziecięcej.
– Nasi mali pacjenci są pod stałą opieką lekarzy, mają regularnie przeprowadzane badania za pomocą tomografii komputerowej, z których wynika, że nasze implanty działają, czyli zaczynają przerastać kością rodzimą dzieci – nie ukrywa radości prof. Wyleżoł. – Wszystkie dzieci czują się dobrze, mamy bezpośredni kontakt z ich lekarzami i cieszy nas bardzo, że udało nam się im pomóc.
Zdjęcie wykonane podczas operacji wszczepiania implantu w Narodowym Specjalistycznym Szpitalu Dziecięcym „Ohmatdyt” w Kijowie. Materiał udostępniony przez firmę Syntplant sp. z o.o.
Implanty przyszłości
Nowatorstwo opracowywanych przez zespół naukowców implantów polega na tym, że są one wytwarzone z materiałów bioresorbowalnych i kościotwórczych, czyli obrastają tkanką kostną. Opracowaniem i wytwarzaniem materiału zajmuje się zespół naukowców z Politechniki Poznańskiej. Implanty są wykonane ze zmodyfikowanego polilaktydu z wieloma domieszkami. Jego główną zaletą jest to, że się resorbuje, czyli w bezpieczny sposób znika z ludzkiego organizmu po około 18 miesiącach. Kościotwórcze domieszki pobudzają organizm pacjenta, co powoduje wrastanie tkanki kostnej w odpowiednio zaprojektowane przestrzenie.
– Nowatorskie jest także to, że zmodyfikowany polilaktyd jest przetwarzany na filament, który możemy użyć w drukarkach 3D, dzięki czemu jesteśmy w stanie wytworzyć implanty bardzo szybko. Oczywiście ten proces odbywa się w sterylnych warunkach, w specjalnej komorze. Po wydrukowaniu, implant podlega jeszcze sterylizacji radiacyjnej (możliwa jest do przeprowadzenia tylko w Warszawie). Po tym procesie może zostać wszczepiony do organizmu pacjenta – tłumaczy dr inż. Muzalewska.
Bioresorbowalne implanty pomogły już kilkunastu pacjentom i z powodzeniem są stosowane w takich dziedzinach medycyny jak chirurgia twarzowo-szczękowa, neurologia, stomatologia czy ortopedia. Są idealnym rozwiązaniem w przypadkach, w których dotychczasowe możliwości medycyny się wyczerpały. Są ratunkiem dla pacjentów po leczeniu onkologicznym, wadach genetycznych czy po wypadkach. Mogą ratować życie, ale także znacząco poprawiać jego jakość. Tak, jak w przypadku młodej kobiety, która po skomplikowanym złamaniu żuchwy w wypadku komunikacyjnym była skazana na zdeformowaną twarz. Lekarze uratowali jej życie, ale bez personalizowanego implantu nie można było odtworzyć żuchwy i zębów. Naukowcy modelowali także fragment szczęki pacjenta z obniżoną zatoką, czy nastolatki z rozszczepem podniebienia, która przeszła już kilka wcześniejszych, nieudanych zabiegów.
– Jesteśmy w kontakcie z lekarzami od momentu tworzenia modeli i konstrukcji implantów, po operacje, na których jesteśmy obecni. Jest to bardzo ciekawe doświadczenie, wnoszące bardzo dużo i udoskonalające proces modelowania kolejnych implantów – tłumaczy dr inż. Muzalewska. – Inżynierowie na sali operacyjnej czy w gabinecie stomatologicznym są po to, by ewentualnie doradzić sposób fiksacji implantu, czyli metody zamocowania. Oczywiście zawsze planujemy to wcześniej, ale podczas zabiegu mogą wystąpić nieoczekiwane okoliczności, to dla nas zawsze cenna lekcja na przyszłość.
Nauka to misja
Bioresorbowalne, kościotwórcze implanty mogą być wykorzystane w całym układzie kostnym. Naukowcy opracowują spersonalizowane modele implantów, a kolejne operacje są już w planach.
– Jako inżynier mechanik mam szczególną satysfakcję, że moje niegdysiejsze hobby, polegające na modelowaniu wirtualnym, znalazło zastosowanie w dziedzinie medycyny. Nie jest to zwyczajna sytuacja i dlatego czuję się trochę niezwykle, ale bardzo mnie to cieszy, że moja wiedza dotycząca modelowania wirtualnego znalazła zastosowanie akurat do leczenia ludzi – nie kryje dumy prof. Wyleżoł. – Zawsze twierdziłem, że nauka powinna służyć człowiekowi – dodaje.
– Satysfakcja z tego projektu jest ogromna, ponieważ widzimy, że to, co robimy działa, przynosi pomoc ludziom – dodaje dr inż. Muzalewska. – Oczywiście zdrowie jest naszym priorytetem, ale niesamowicie cieszą także te przypadki, w których udoskonalamy wygląd, poprawiamy estetykę. Dla młodej kobiety możliwość uzupełnienia poważnego ubytku w zębach jest bardzo ważna, to ogromna satysfakcja widzieć taki sukces.
Osiągnięcia naszych naukowców odbiły się już szerokim echem w mediach, dzięki czemu coraz więcej osób, a także placówek medycznych zgłasza się z pytaniem o możliwość współpracy. Gratulujemy sukcesu!
Zapraszamy także do wysłuchania podcastu Politechniki Śląskiej z naukowcami.
