Medicina viitorului la Cluj: proteze biocompatibile 3D, implantate bolnavilor

În laboratorul Universităţii Tehnice a fost creat primul os zigomatic din pulbere de titan implantat în lume, cu o maşină de topire cu laser şi un program informatic de 17.000 de euro.

Inginerii clujeni de la catedra de Tehnologia Construcţiei de Maşini (TCM) din cadrul Universităţii Tehnice din Cluj-Napoca (UTCN) realizează, în premieră în România, implanturi personalizate. Protezele personalizate sunt făcute din materiale bioactive, fiind gândite în funcţie de caracteristicile fiecărui individ. Implanturile sunt realizate în baza unor granturi de cercetare. Pentru le a crea, cercetătorii clujeni folosesc un software special de 17.000 de euro şi o imprimantă 3D achiziţionată cu o jumătate de milion de euro.

"Fabricarea unui implant începe cu o tomografie asistată de calculator. Urmează procesarea imaginii medicale, pentru asta noi folosim un software specializat, Mimics, dezvoltat de o firmă din Belgia. Nu e ieftin deloc, costă 17.000 de euro, dar face legătura dintre lumea medicală şi cea inginerească. Toate tomografele asistate de calculator exportă imaginile într-un format special de tip Daikon, nu în cod ASCII. Toate maşinile cu comandă numerică pot fi comandate numai utilizând cod ASCII şi de aceea e nevoie de un astfel de soft special care face legătura între cele două domenii" a explicat, pentru ZIUA de CLUJ, Nicolae Bâlc, şeful catedrei TCM.

Primele colaborări între specialiştii UTCN şi chirurgi privind aplicaţiile medicale s-au derulat în 1998 şi au debutat la Clinica de Chirurgie Maxilo-Facială (CCMF) din Cluj, prin cranioplastii. După 15 ani, la TCM s-a realizat primul os zigomatic personalizat din titan din lume. Operaţia a fost realizată cu succes în aprilie. Osul zigomatic a fost realizat în trei variante la UTCN, printr-o procedură de topire selectivă cu laser. "Varianta cu densitate 100% s-a dovedit a fi prea greu pentru a fi implantat. Noi putem lucra cu porozitate controlată, folosind maşina de topire selectivă cu laser, iar în felul acesta îl putem fabrica cu o structură poroasă. Uneori el este şi infiltrat cu materiale bioactive, pe bază de calciu - hidroxilapatită. În general, din pulbere fină de titan cu granulaţie de 30 microni lucrăm. Titanul este foarte uşor, un implant nu cântăreşte foarte mult. Are o densitate mică, este un material uşor, folosit şi în construcţia de avioane", a completat Bâlc.

1 kg de pulbere de titan costă 600 de euro. Totuşi, specialiştii spun că nu materialul are o pondere importantă în costul unei astfel de proteze, ci toată munca de proiectare şi de analiză cu elemente finite de rezistenţă a implantului. "Trebuie discutat cu chirurgul. Nu putem lua caracteristicile pacienţilor doar după vârstă, pentru că nu toţi pacienţii beau la fel de mult lapte sau au la fel de mult calciu în organism şi, până la urmă, toate discuţiile acestea trebuie să le purtăm atât cu radiologul de la care primim imaginea de la tomograf, cât şi, evident, cu chirurgul. El îşi asumă responsabilitatea sterilizării implanturilor respective. Noi utilizăm materiale biocompatibile, avem certificate privind calitatea materialelor, pe care le cumpărăm de la furnizori consacraţi din Germania şi SUA, dar chirurgul ne spune la un anumit implant unde să realizăm anumite găuri cu care se va fixa - dacă e vorba de un implant cranian. El ne precizează şi câte găuri să realizăm în implant pentru a elibera presiunea sangvină", a arătat şeful catedrei TCM.

Astăzi, inginerii clujeni lucrează la o proteză craniană, pe care o creează cu ajutorul altei proceduri - sinterizarea selectivă cu laser, dintr-o poliamidă specială, material biocompatibil. Specialiştii de la TCM arată că munca inginerească e cea mai scumpă în costul unui implant. Inginerii spun că un implant personalizat cu adevărat, nu este doar un produs al unei tehnologii care construieşte proteza, strat cu strat, dintr-o structură poroasă, într-o imprimantă 3D. El trebuie personalizat în funcţie de vârsta şi de greutatea pacientului. O proteză de os femural pentru o pacientă de 50 kg a fost proiectată să reziste unui impact de opt ori mai mare. "Odată cu înaintarea în vârstă, densitatea ţesuturilor osoase scade şi atunci cu totul altfel fabricăm implantul pentru o persoană cu 60 de ani şi altfel pentru una de 30 de ani. De asemenea, trebuie personalizat în funcţie de greutatea pacientului. Dacă e un implant de femur, de cap femoral, atunci nu-i totuna dacă pacientul are 60 sau 120 kg. Pentru toate astea noi facem calcule inginereşti, luăm coeficienţi de siguranţă. Am fabricat un implant pentru o proteză de şold la o fată care cântăreşte 50 kg. Ca să reziste implantul respectiv şi în cele mai solicitante situaţii, să zicem se urcă să culeagă cireşe. Am calculat noi că înălţimea maximă de la care ar putea cădea, de la 3 m, atunci ar trebui să preia o sarcină de opt ori mai mare decât greutatea ei, acela fiind impactul şi am proiectat implantul astfel încât să reziste nu la 50, ci la 400 kg", a continuat Bâlc.

Condiţiile atmosferice şi trecerea subită de la o temperatură la alta constituie alţi factori de care trebuie să ţină cont inginerii atunci când proiectează protezele personalizate. Pentru crearea structurii personalizate, specialiştii iau ca punct de referinţă osul cortical, nu cel trabecular care asigură vascularizarea ţesuturilor. "Nu vrem ca implantul să fie nici prea rezistent, cu densitate 100%, pentru că atunci cădem într-o altă problemă dificilă şi anume el va fi mult mai rezistent decât osul şi va avea un coeficient de contracţie mult mai mare. Iarna, când pacientul iese de la 20 de grade Celsius la minus 10 grade afară, implantul de titan fabricat de noi se va contracta de cinci ori mai mult decât osul în care e implantat. Atunci apar jocuri, atunci apare durere la pacient. Fizic, e o diferenţă între contracţia implantului şi cea a osului, iar atunci munca inginerească ne conduce şi la coeficientul de contracţie a ţesutului osos", spune profesorul Bâlc.

La UTCN au fost create 15 proteze personalizate, cu ajutorul celor patru imprimante 3D. Acestea au fost produse pro bono, în baza unor cercetări şi ulterior implantate pacienţilor. "Noi lucrăm în baza unor granturi de cercetare, iar costurile sunt doar cele cu materialele, pe care le achiziţionăm în baza granturilor de cercetare. Asta nu înseamnă că putem face gratuit oricui orice fel de proteză, dar sunt cazuri care ne-au marcat şi pentru care am lucrat gratuit. Costurile sunt foarte mari. O maşină se cumpără, dar experienţa se câştigă foarte greu", a punctat Bâlc. 7

Operaţie în premieră mondială

O echipă de medici clujeni de la Clinica de Chirurgie Maxilo-Facială a realizat, în premieră mondială, în aprilie, primul implant personalizat de os zigomatic. Potrivit medicilor clujeni, procedura specială utilizată pentru crearea implantului ar putea oferi pe viitor posibilităţi pentru pacienţii cu orice fel de diformităţi la nivel cranian. Specialiştii clujeni au reconstruit tridimensional, în decursul mai multor luni, pe baza datelor de la tomografia computerizată a pacientului, structura osoasă lipsă şi au reprodus-o fizic printr-un implant personalizat din titan. Practic, medicii clujeni i-au reconstruit pometele unui pacient de 44 de ani, dintr-un aliaj din aluminiu, titan şi vanadiu, pentru a-i reda înfăţişarea. "Această tehnologie emergentă se numeşte topire selectivă cu laser şi permite implanturi, proteze personalizate, care să se potrivească perfect defectului pentru care au fost create. Fiecare astfel de implant este special conceput pentru pacientul care îl va purta. Reconstruieşte oase ale craniului, ale etajului mijlociu al feţei, ale mandibulei. Tehnologia este încă în curs de cercetare. Reconstrucţia este individualizată, fidelă", a explicat conferenţiarul Horaţiu Rotaru, şeful echipei de chirurgi.

Implanturile create în laboratoarele din Cluj pot avea o structură poroasă şi pot fi bioactive

"Prin fabricarea implanturilor cu structură poroasă realizăm mai multe lucruri bune deodată: putem regla coeficientul de contracţie al implantului, să fie adecvat pentru vârsta pacientului, în al doilea rând, având o structură poroasă, să putem infiltra implantul cu substanţe pe bază de calciu - hidroxilapatită, spre exemplu şi în felul acesta, odată implantat, având calciu suplimentar, implantul nu va fi doar biocompatibil ci şi bioactiv, adică va ajuta procesul de osteogeneză. Practic asta se doreşte: noi realizăm implanturi şi cu o structură multistrat. Pentru o proteză de şold, partea sferică poate fi rezistentă, dură, o facem cu densitate de 100%, iar partea din implant care intră în osul femural o facem cu structură poroasă, o îmbogăţim cu calciu, prin infiltrare cu hidroxilapatită, pentru a se fixa şi a se integra acolo", a completat profesorul Nicolae Bâlc.