recenzja - Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

dr hab. inż. Mieczysław Szata, prof. nadzw. PWr
Wrocław, 2013-11-30
Politechnika Wrocławska
Dyscyplina: mechanika
Specjalność: wytrzymałość materiałów (mechanika pękania, zmęczenie)
Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej
Politechniki Wrocławskiej
ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 WROCŁAW
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Małgorzaty Rusińskiej
p.t. Wytwarzanie scaffoldów ceramicznych technologiami generatywnymi.
Opis identyfikacyjny: komputeropis na prawach rękopisu, stron 169, pozycji
literatury 208, dodatkowo spis tabel, spis rysunków i trzy załączniki łącznie
dodatkowo na 31 stron.
Zleceniodawca: Dyrektor Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji
Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, prof. dr hab. inż. Zbigniew
Gronostajski, zlecenie z dnia 30 września 2013 r.
Rozprawa zawiera wykaz akronimów, spis treści, 12 numerowanych
rozdziałów, bibliografię oraz 3 załączniki.
W Rozdziale 1. Autorka wprowadza w zakres tematyczny pracy i zarysowuje
problemy, z jakimi boryka się współczesna medycyna rekonstrukcyjna. Krótko
omawia wady i zalety technologii 3DP i możliwości jej zastosowania do
wytwarzania implantów.
Zagadnienie złożoności tkanki kostnej i proces jej przebudowy przedstawia
Autorka w rozdziale 2. Omawia budowę i funkcje kości zbitej i gąbczastej, określa
właściwości mechaniczne i szczegółowo opisuje proces remodelingu (przebudowy)
kości.
Charakterystykę dostępnych i wykorzystywanych w medycynie biomateriałów do
wytwarzania implantów przedstawia Autorka w rozdziale 3. Wprowadza pojęcie
biomateriału oraz omawia podział biomateriałów na grupy bazowe, podając ich
podstawowe charakterystyki, ze szczególnym uwzględnieniem fosforanów wapnia.
Przedstawia zastosowania grup biomateriałowych w konkretnych wyrobach
medycznych, wykorzystywanych w chirurgii.
W rozdziale 4. Doktorantka omawia rolę technologii w medycynie
rekonstrukcyjnej. Wprowadzając czytelnika w zagadnienia inżynierii tkankowej,
charakteryzuje podstawowe narzędzie – skafold, a także przedstawia w sposób
syntetyczny najważniejsze informacje dotyczące jego struktury i pełnionych
1
funkcji. Wskazuje potrzeby produkcyjne oraz trendy rozwoju technologii
wykorzystywanych do ich wytwarzania.
Na podstawie studium zagadnienia podanego w czterech pierwszych rozdziałach
rozprawy Doktorantka w rozdziale 5. precyzuje własny problem badawczy,
formułuje cel, zakres i tezę rozprawy. Przedstawia również kroki niezbędne do
weryfikacji postawionej tezy. W kolejnych rozdziałach Doktorantka dokumentuje
realizację i uzyskane efekty przyjętego programu badawczego.
Rozdział 6. jest poświęcony wyborowi technologii i materiału. Doktorantka
przedstawia w nim dokładną charakterystykę właściwości materiałów
pobudzających tkankę kostną do regeneracji, podsumowuje właściwości
materiałów wykorzystywanych w tej technologii do badania skafoldów tkanek
kostnych, uzasadnia wybór podstawowego materiału do badań.
Charakterystyka materiału podstawowego oraz dobór materiałów pomocniczych
stanowią treść rozdziału 7. Dokładne określenie parametrów proszku standardowo
stosowanego do wytwarzania modeli nie wystarcza do jego poprawnego
funkcjonowania w projektowanym procesie. Duży wpływ na zmienność
charakterystyk proszku mają czynniki zewnętrzne i dlatego ważne jest określenie
optymalnych warunków przechowywania oraz stosowania materiału.
Przetwarzanie materiału ceramicznego technologiami przyrostowymi opisuje
Doktorantka w rozdziale 8. Technologia 3DP została opracowana w Massachusetts
Institute of Technology (MIT) w Cambridge. Jej główną zaletą jest to, że nie
wymaga zapewnienia specjalnych warunków środowiskowych, a efekt procesu
zależy wyłącznie od doboru odpowiednich materiałów i podstawowych
parametrów technologicznych. Zasada działania polega na nanoszeniu kolejnych
warstw sproszkowanego materiału na platformę, grubość warstw jest podyktowana
rozmiarami ziaren stosowanego proszku, które z reguły mieszczą się w przedziale
80-250 µm.
Rozdział 9. poświęcony jest metodzie charakteryzacji właściwości materiałowych
modeli ceramicznych. Doktorantka przedstawia wyniki badań materiałowych,
przeprowadzonych na próbkach przygotowanych technologią drukowania
przestrzennego oraz poddawanych różnym procesom wykończeniowym.
Porównuje wyniki analizy tego samego materiału spiekanego w różnych
temperaturach oraz materiału kompozytowego ceramiczno-polimerowego.
Przedstawia właściwości powierzchniowe wszystkich przygotowanych materiałów,
stopień połączenia ziaren proszku w procesie wytwarzania oraz osiągane
porowatości.
Metodę charakteryzacji właściwości mechanicznych materiału ceramicznego
przedstawia Doktorantka w rozdziale 10. Dokumentuje wyniki prób
wytrzymałościowych przeprowadzonych na przetworzonych materiałach.
Maksymalne naprężenia przenoszone przez przygotowane modele zostały
określone na podstawie statycznej próby rozciągania. Przedstawia również
szczegółową dyskusję dotyczącą kluczowych parametrów procesu wytwórczego,
wpływających na badane właściwości.
2
Rozdział 11. dotyczy weryfikacji właściwości biologicznych przetworzonych
materiałów.
Doktorantka
omawia
wyniki
testów
cytotoksyczności,
przeprowadzonych na wszystkich typach materiału, porównuje wpływ materiału
i jego właściwości na rozwój hodowli komórkowych, a także uzasadnia dobór
odpowiedniej procedury sterylizacji materiałów.
Rozprawę zamyka merytorycznie Rozdział 12. zawierający wnioski końcowe
i kierunki dalszych badań.
Po bibliografii Doktorantka dołączyła trzy załączniki.
UWAGI O ROZPRAWIE
Rozprawa jest napisana poprawnym, zrozumiałym językiem i prezentuje
bardzo dobry poziom edytorski. Na szczególne podkreślenie zasługuje bogata
dokumentacja graficzna. Rysunki oraz fotografie są wykonane bardzo starannie,
z umiejętnym wykorzystaniem koloru i odzwierciedlają szeroki program badań.
Tabele są przejrzyste dla czytelnika i wykonane z wykorzystaniem najnowszych
możliwości edytorskich.
Na podstawie studium zagadnienia zawartego w czterech pierwszych rozdziałach
Doktorantka określiła właściwości funkcjonalnych struktur biomechanicznych
(FSBM), wytworzonych zgodnie z opracowaną własną metodą postępowania.
TEZA: Materiały ceramiczne przetwarzane za pomocą technologii
generatywnych zapewniają właściwości i strukturę niezbędną do skutecznych
rekonstrukcji ubytków tkanek kostnych.
CEL: Opracowanie technologii przyrostowego wytwarzania ceramicznych
funkcjonalnych struktur biomechanicznych stosowanych w rekonstrukcjach
tkanek kostnych.
Osiągnięcie celu rozprawy wymagało określenia następujących zadań badawczych:
 Analiza literaturowa, przegląd zrealizowanych badań w zakresie stosowania
porowatych struktur ceramicznych w medycynie rekonstrukcyjnej,
wytworzonych technologiami konwencjonalnymi oraz przyrostowymi.
 Określenie możliwości zastosowania materiałów ceramicznych w medycynie
do przetwarzania technologią generatywną w celu identyfikacji dostępności
materiałów na rynku, ich właściwości fizykochemicznych, spełniających
wymogi technologii, a w konsekwencji – ich wykorzystania.
 Dobór materiałów pomocniczych dla wybranego materiału podstawowego,
w celu umożliwienia wydruków i przetwarzania proszku ceramicznego
w geometryczne struktury,
 Analiza i ocena parametrów procesu wytwarzania, mających znaczący wpływ
na właściwości mechaniczne wytwarzanych elementów.
 Wybór procesu utwardzania elementów wytwarzanych technologią 3DP oraz
dobór parametrów.
 Analiza właściwości mechanicznych przetworzonego materiału w celu
określenia maksymalnych przenoszonych obciążeń.
3



Analiza wymiarowa i geometryczna modeli przestrzennych w aspekcie
ograniczeń technologicznych.
Analiza właściwości materiałowych w celu określenia stopnia przetworzenia
materiału wyjściowego, oceny porowatości, mikrostruktury, sposobu wiązania
się ziaren, zachowania wybranych wypełniaczy, itp.
Analiza właściwości biologicznych w celu określenia przydatności materiału
przetworzonego opracowaną metodą w zastosowaniach medycznych.
Rozwój wiedzy w zakresie wykorzystania najnowszych technologii
generatywnych w zastosowaniach medycznych stanowi szansę większej
dostępności rozwiązań innowacyjnych w praktyce chirurgicznej, przez skrócenie
czasu wytwarzania anatomicznie dopasowanych implantów z materiałów
ceramicznych.
W tym miejscu należy odpowiedzieć na pytanie, czy podjęty przez Doktorantkę
temat jest aktualny i ważny. Recenzent nie ma wątpliwości co do aktualności
tematu i jego znaczenia w zastosowaniach medycznych, jak również w badaniach
w obszarze biomechaniki. Dr inż. Jakub Słowiński, realizując (pod moim
kierunkiem) rozprawę doktorską Analiza stanu naprężeń w konstrukcji
indywidualnego implantu kostnego (2010), spotkał się z różnymi problemami, ale
podstawową trudnością w rozszerzeniu badań eksperymentalnych był brak dostępu
do technologii wykonania skafoldów. Rozprawa Doktorantki znakomicie wypełnia
tę lukę, stanowiąc dojrzałą naukowo pracę technologiczną, pokazującą możliwości
wykorzystania technologii generatywnych w medycynie. Tematyka rozprawy
mieści się w dyscyplinie Budowa i Eksploatacja Maszyn.
Zdaniem recenzenta, niezwykle cenny jest również załącznik 1, w którym
Doktorantka bardzo dokładnie podsumowuje aktualny stan literatury na temat
skafoldów.
W trakcie lektury rozprawy recenzent zwrócił uwagę na pewne nieścisłości.
Z jednej strony Doktorantce należy się pochwała za dobór literatury – znajdują się
tam nie tylko pozycje najnowsze, lecz także publikacje ważne dla tego obszaru
badawczego, opublikowane wcześniej. Spośród 208 pozycji zdecydowaną
większość stanowią publikacje w języku angielskim. Jest to odbicie wymagań
obecnego czasu – publikować należy po angielsku. Niestety, płacimy za to pewną
cenę – nie utrwalają się poprawne formy w języku polskim i zalewają nas
anglicyzmy. Doktorantka również nie ustrzegła się tego – na pocieszenie można
powiedzieć, że w tej sprawie nie należy do wyjątków. Przykłady: E to nie jest
moduł elastyczności, ale moduł sprężystości; ν to nie wskaźnik Poissona, ale
ułamek Poissona; niektóre nazwy i nazwiska język polski już przyswoił i piszemy
moduł Younga, a nie Young’a.
Kolejna uwaga jest dyskusyjna – scaffold w polskiej literaturze przedmiotu już
funkcjonuje jako skafold i może warto używać takiej formy, podobnie jak nazwy
mikroskop konfokalny czy elektronowy mikroskop skaningowy, które Doktorantka
używa.
4
Nie przepadam za sposobem numerowania literatury według kolejności cytowania
jej w tekście pracy, mimo że wiele czasopism wymaga właśnie takiego systemu.
Jest on mniej czytelny i trudniejszy do wykorzystania, a poza tym łatwiej
o pomyłkę, co też zdarzyło się Doktorantce przy dwukrotnym cytowaniu pracy
członka korespondenta PAN ([21], [32]). W moim egzemplarzu rozprawy
rozdział 1 pozostał prawdopodobnie z poprzedniej redakcji, gdyż nie zgadza się
z tytułami samych rozdziałów i spisem treści.
Wymienione uwagi nie zmieniają mojej bardzo pozytywnej oceny rozprawy,
która jest napisana niezwykle starannie i wyróżnia się wysokim poziomem
edytorskim.
PODSUMOWANIE
Istotny i twórczy wkład mgr inż. Małgorzaty Rusińskiej w rozwój budowy
i eksploatacji maszyn, zarówno w zakresie teorii, eksperymentu i metodologii
polega na tym, że:
 opracowała autorską metodologię wytwarzania skafoldów ceramicznych
oraz części implantów za pomocą technologii 3DP. Umożliwia to
przygotowywanie indywidualnie dostosowanych funkcjonalnych struktur
biomechanicznych do rekonstrukcji uszkodzonych tkanek kostnych.
Właściwie dobrany materiał, technologia i procesy pomocnicze mogą
zapewnić dopasowanie (pod kątem właściwości mechanicznych oraz
biologicznych) do potrzeb syntetycznych modeli, pełniących czasowe
funkcje wspierające w miejscach ubytku, umożliwiając formowanie nowej
tkanki.
 Na podstawie analizy literaturowej w zakresie stosowania porowatych
struktur ceramicznych w medycynie rekonstrukcyjnej, wytworzonych
technologiami konwencjonalnymi oraz przyrostowymi zidentyfikowała
i sprecyzowała zakres istniejących możliwości i potrzeb technologicznych
oraz materiałowych dla aplikacji praktycznych.
 Szczegółowo zdefiniowała, opisała i przeanalizowała warunki
technologiczne stanowiska badawczego. Wykonała niezbędne modyfikacje
urządzenia 3DP w celu zapewnienia możliwości stosowania
niestandardowych lepiszczy bez uszczerbku dla sprzętu (dodatkowy system
dozujący) oraz wytwarzania próbek z mniejszej objętości proszku
(pomniejszenie przestrzeni roboczej).
 Określiła
możliwości
zastosowania
materiałów
ceramicznych,
wykorzystywanych w medycynie do przetwarzania technologią generatywną.
Materiał został dobrany na podstawie jego generatywnych właściwości
fizycznych i chemicznych, spełniających wymagania technologii oraz
charakterystyk w trakcie późniejszego ich wykorzystania. Proszek stosowany
w technologii 3DP musi mieć kształt sferyczny lub zbliżony (sferoidalny),
a wielkość ziaren nie może przekroczyć grubości nanoszonej warstwy.
Każdy z proszków poddano analizie przy użyciu elektronowego mikroskopu
5







skaningowego (SEM). Doktorantka zbadała i opisała właściwości
fizykochemiczne materiału podstawowego, wybranego do dalszych badań
wykonanych z zachowaniem wytycznych stosowanych do analizy
materiałów proszkowych.
Dobrała materiały pomocnicze, umożliwiające przeprowadzenie procesu
budowy technologią 3DP w sposób powtarzalny, zapewniający
przewidywalne wyniki.
Przeprowadziła badania eksperymentalne w zakresie doboru parametrów
procesu wytwarzania, zgodnie z przygotowaną metodyką dostosowania
technologii generatywnej do nowych materiałów. Na podstawie analizy
i oceny wpływu parametrów procesu budowy na właściwości wytwarzanych
elementów wyznaczyła zakresy zmiennych parametrów procesu,
zapewniające optymalne właściwości mechaniczne.
Wyznaczyła najskuteczniejszą metodę utwardzania modeli wytwarzanych
technologią 3DP, scharakteryzowała wpływ parametrów procesu na
formowanie
optymalnych
właściwości
wyjściowych.
Nadanie
przygotowanym materiałom pożądanych właściwości mechanicznych
wymagało zastosowania spiekania wysokotemperaturowego.
Wyznaczyła maksymalne naprężenia przenoszone przez modele uzyskane
metodą wytwarzania funkcjonalnych struktur biomechanicznych. Zastępczy
moduł Younga oraz maksymalne przenoszone naprężenie wyznaczyła na
podstawie statycznej próby ściskania, z uwzględnieniem faktu, że kości
w ciele ludzkim pracują głównie pod wpływem naprężeń ściskających.
Otrzymane wyniki porównała dla trzech typów materiałów, definiując
wpływ parametrów procesu oraz zastosowanych obróbek wykończeniowych.
Przeprowadziła badania materiałowe próbek wytwarzanych technologią 3DP
oraz poddawanych różnym procesom wykończeniowym.
Przetworzone materiały poddała testom na cytotoksyczność, obserwując
zachowanie i rozwój hodowli komórkowych, zasianych na przygotowanych
materiałach w środowisku imitującym organizm żywy. Wyniki testów nie
wykazały negatywnego wpływu na rozwój komórek żywych. Po 72
godzinach ekspozycji liczebność żywych komórek w otoczeniu materiałów
przewyższała liczebność komórek w próbie kontrolnej, co wskazywało na
możliwość zastosowania przygotowanych materiałów do wytwarzania
wszczepialnych implantów.
Po zrealizowaniu planowanych zadań Doktorantka osiągnęła główny cel
pracy, którym było opracowanie technologii 3DP umożliwiającej
wytwarzanie ceramicznych i funkcjonalnych struktur biomechanicznych na
potrzeby rekonstrukcji tkanek kostnych.
Rozwinięta w rozprawie technologia wytwarzania ceramicznych funkcjonalnych
struktur biomechanicznych metodą przyrostową stanowi kolejny krok w kierunku
jej zastosowania w implantologii. W rozprawie przedstawiono możliwości
systematycznego podejścia do inżynierii tkankowej i wytwarzania implantów
6
dopasowanych do potrzeb pacjenta. Prace nad przetwarzaniem opisanych
materiałów oraz dostosowaniem technologii 3DP do produkcji implantów
gotowych do wszczepiania wymagają szeregu ulepszeń i modyfikacji. W rozprawie
Doktorantka określa kierunki dalszych badań.
Na podkreślenie zasługuje przedstawiony i zrealizowany szeroki program
badawczy, obejmujący zarówno badania doświadczalne, jak i wykorzystanie
ultranowoczesnych technologii. Zdaniem recenzenta, rozprawa po drobnych
zmianach powinna stanowić interesujący materiał do publikacji książkowej.
WNIOSEK
o dopuszczenie do publicznej obrony
Rozprawa doktorska mgr inż. Małgorzaty Rusińskiej stanowi oryginalne
rozwiązanie postawionego zagadnienia naukowego, wykazuje ogólną wiedzę
teoretyczną Autorki w dyscyplinie naukowej Budowa i eksploatacja maszyn
i umiejętność samodzielnego prowadzenia pracy naukowej. Odpowiada więc
warunkom ustawy Nr 595 z dnia 14 marca 2003 r., a w szczególności warunkom
określonym w artykule 13 rozdziału 2 ustawy (Dz. U. nr 65/2003 z 16 kwietnia
2003 r. z późniejszymi zmianami). Wnioskuję o dopuszczenie rozprawy do
publicznej obrony.
......................................................
dr hab. inż. Mieczysław Szata, prof.nadzw. PWr
7