Na Politechnice Wrocławskiej i National Taipei University of Technology trwają prace nad nowoczesnymi spersonalizowanymi implantami dentystycznymi. Powstaną z wydrukowanych w 3D struktur ceramicznych połączonych z metalowym rdzeniem. Dzięki wykorzystaniu biodegradowalnego magnezu tkanka kostna będzie mogła w taki implant stopniowo wrastać.

Wspólne działania zespołów z Polski i Tajwanu są możliwe dzięki finansowaniu z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju* i MOST (The Ministry of Science and Technology na Tajwanie) w ramach projektu CERMET. Ich efektem będzie kompozytowy implant, który potencjalnie będzie mógł zastąpić ludzki ząb.

Jego rusztowanie powstaje z tlenków glinu i jest wytwarzane metodą przyrostową – czyli tzw. drukiem 3D, co gwarantuje, że będzie dopasowany „na wymiar” do potrzeb konkretnego pacjenta.

W górnej części (koronie) struktura ceramiczna jest lita, a dolna (korzeń) ma porowatą formę. Dzięki temu można nasycić ją ciekłym metalem – stopem magnezu. Zmniejszy to kruchość struktury, a sam rdzeń będzie początkowo pełnił funkcję „kotwicy”, utrzymując implant w szczęce.

Magnez natomiast stopniowo będzie degradować, uwalniając miejsce na wrastanie tkanki kostnej (to tzw. proces osteointegracji). W efekcie implant stanie się bardzo stabilny – wbudowany w ludzką tkankę.

Międzynarodowe działania

Najpierw naukowcy z Tajwanu we współpracy z badaczami z Wrocławia opracowują odpowiednie preformy ceramiczne o porowatości otwartej, czyli te struktury, które w połączeniu z metalowym rdzeniem stworzą implant.

Te następnie trafiają na Politechnikę Wrocławską, gdzie badacze z Katedry Inżynierii Elementów Lekkich, Odlewnictwa i Automatyki na Wydziale Mechanicznym nasycają je metalem – biokompatybilnym stopem magnezu.

– Jesteśmy we wstępnym etapie naszego projektu, dlatego na razie testujemy dwie techniki odlewnicze i później wybierzemy tę najbardziej korzystną – opowiada dr inż. Anna Dmitruk, badaczka zaangażowana w projekt. – Pierwsza to metoda infiltracji ciśnieniowej, dokładnie prasowania ze stanu ciekłego, w której ceramiczną kształtkę umieszczamy w komorze prasy i zalewamy ciekłym metalem, a następnie opuszczając tłok, wprasowujemy ciekły metal w porowatości preformy. Drugą techniką jest, stosowane np. w jubilerstwie, odlewanie precyzyjne. Tutaj najpierw tworzymy gipsową formę dla przygotowanego wcześniej modelu z wosku lub tworzywa sztucznego. W tym przypadku dodatkowo w formie umieszczamy preformę ceramiczną, którą chcemy nasycić wybranym stopem. W trakcie wypalania formy model woskowy lub tworzywowy jest usuwany z formy i zostawia po sobie pustą przestrzeń, którą w kolejnym kroku zalewamy metalem i tak uzyskujemy element, na którym nam zależy.

Tworzenie kompozytu poprzez odlewanie to tylko część zadań zespołu z PWr. Naukowcy prowadzą i będą prowadzić także szereg testów prototypów implantu – m.in. badania wytrzymałościowe (np. na zginanie lub ściskanie), jakości połączenia (ocena adhezji składników kompozytu) czy badania rozszerzalności cieplnej (żeby sprawdzić, czy pod wpływem zmiany temperatur materiały tworzące kompozyt nie będą inaczej zmieniać objętości, co może prowadzić np. do pęknięć).

– Kompozytowy implant o przenikających się fazach umocnienia i osnowy to nowe podejście – podkreśla badaczka. – Do tej pory w implantach dwa różne materiały, ceramika i metal, były łączone np. na zasadzie połączenia śrubowego. Nasz projekt zakłada stworzenie kompozytu, czyli jednego materiału, ale o niejednorodnej strukturze i do tego o bardzo skomplikowanych kształtach. Wypełnienie metalem takiej koronkowej struktury, jaką proponujemy w naszym projekcie, nie byłoby możliwe w inny sposób.

Szczególne powłoki

Co istotne, próbki implantów są także poddawane procesowi plazmowego utleniania elektrolitycznego, nazywanego również utlenianiem mikro-łukowym. Dzięki niemu magnez, którym nasycane są struktury ceramiczne, nie utlenia się tak szybko – a proces jego degradacji następuje stopniowo.

– Niewiele jednostek w Polsce zajmuje się tą techniką – opowiada mgr inż. Natalia Raźny, także zaangażowana w prace nad projektem CERMET. – Taką próbkę umieszczamy w zbiorniku wypełnionym elektrolitem. Próbka i inny metalowy element układu to odpowiednio anoda i katoda. W układzie wytwarzamy wysokie napięcie elektryczne, które prowadzi do powstawania wyładowań plazmowych na powierzchni próbki. W efekcie powstaje na niej cienka porowata powłoka z  tlenku magnezu o grubości mierzonej w mikrometrach. Ta powłoka ma właściwości antykorozyjne i podnosi odporność na ścieranie, a w przypadku implantu najważniejszą dla nas jej właściwością jest to, że spowalnia resorpcję magnezu w organizmie.

Jak podkreślają naukowcy zaangażowani w projekt CERMET, magnez jest trudnym materiałem odlewniczym – ze względu na jego dużą reaktywność. W kontakcie z powietrzem czy masą gipsową od razu zaczyna się utleniać. Efekt? Zapala się lub nawet może dojść do wybuchu. Dlatego konieczne jest stosowanie tzw. atmosfer ochronnych i innych środków bezpieczeństwa.

***

Prace w ramach inicjatywy CERMET potrwają trzy lata. Ich wynikiem będzie prototyp implantu. Dopiero po jego stworzeniu naukowcy mogą szukać finansowania na kolejne etapy prac – np. na prowadzenie badań przedmedycznych.

Kierownikiem projektu jest prof. Krzysztof Naplocha, a w jego zespole pracują dr inż. Anna Dmitruk, dr inż. Adrianna Filipiak-Kaczmarek i mgr inż. Natalia Raźny.

Lucyna Róg

Finansowanie dla projektu „Additive manufacturing of customized ceramic dental implants subsequently joined with biodegradable metal cores” („Produkcja przyrostowa spersonalizowanych ceramicznych implantów dentystycznych łączonych z biodegradowalnymi metalowymi rdzeniami”) – o akronimie CERMET – w ramach X Polsko-Tajwańskiego konkursu na wspólne projekty badawcze.