materiały do wytwarzania uzupełnień tkanek kostnych i chrzęstnych

Małgorzata RUSIŃSKA, Patrycja SZYMCZYK Politechnika Wrocławska, Katedra
Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji
MATERIAŁY DO WYTWARZANIA UZUPEŁNIEŃ TKANEK
KOSTNYCH I CHRZĘSTNYCH NA BAZIE CELULOZY DO
PRZETWARZANIA TECHNOLOGIAMI PRZYROSTOWYMI
MATERIALS FOR BONE AND CARTILAGE TISSUE
REGENERATION BASED ON CELLULOSE FOR MANUFACTURING
WITH GENERATIVE TECHNOLOGIES
Słowa kluczowe: wytwarzanie przyrostowe, celuloza mikrokrystaliczna, celuloza
bakteryjna, implanty medyczne.
1. WSTĘP
Technologia 3 Dimensional Printing (3DP) należy do grupy technologii przyrostowych,
których istotą jest wytwarzanie warstwowe, zapewniające możliwość otrzymywania wyrobów
o złożonej geometrii zewnętrznej oraz wewnętrznej. Zastosowanie tej metody przy
wytwarzaniu implantów oraz innych wyrobów medycznych umożliwia zapewnienie wysokiego
dopasowania do konkretnego przypadku (na podstawie danych pochodzących
z obrazowania za pomocą tomografii komputerowej), a ponadto wprowadzenia struktur
ażurowych, zapewniających miejsce do rozwoju naturalnych tkanek.
Celuloza jest najobficiej występującym w przyrodzie biodegradowalnym biopolimerem. Ze
względu na dużą możliwość sterowania rozpuszczalnością oraz niski wskaźnik reakcji
zapalnych ze względu na wywoływanie minimalnych reakcji organizmów na ciało obce,
celuloza znalazła zastosowanie w regeneracji tkanek kostnych, chrzęstnych oraz łącznych,
regeneracji chrząstki oraz tworzenia tkanki łącznej [1-3]. W związku z licznymi metodami jej
otrzymywania w ostatnich latach celuloza została uznana za biomateriał pochodzenia
naturalnego o wysokim potencjale, jednak jej zastosowanie w wytwarzaniu biomedycznych
struktur 3D jest w dalszym ciągu ograniczone ze względu na wąskie okno możliwości
przetwórczych. W artykule zaproponowano wytwarzanie dopasowanych struktur
z wykorzystaniem technologii selektywnego łączenia materiału w postaci proszku. Poprzez
optymalizację parametrów procesu wytwarzania oraz dobór odpowiednich domieszek
i lepiszczy możliwe jest skuteczne wytwarzanie zaprojektowanych struktur przestrzennych
i możliwość sterowania właściwościami wyrobów gotowych.
Przetwarzanie różnych rodzajów materiałów na bazie celulozy technologią 3DP umożliwi
wytwarzanie indywidualizowanych wyrobów do regeneracji ubytków tkanek kostnych
i chrzęstnych, o kontrolowanym stopniu degradacji z możliwością wzbogacenia o substancje
czynne (np.: leki, inhibitory wzrostu).
XIII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 100
2. DOBRÓR MATERIAŁÓW I PARAMETRÓW PROCESU WYTARZANIA
CELLULOZOWYCH STUKTUR PRZESTRZENNYCH TECHNOLOGIĄ 3DP
2.1. Metody i materiały
W badaniach wykorzystano dwa rodzaje celulozy o różnych właściwościach.
Syntetyczna celuloza mikrokrystaliczna (Avicel) jest oczyszczoną, częściowo
zdepolimeryzowaną celulozą, wykorzystywaną w przemyśle farmaceutycznym jako substrat
leków zapewniający wysoką trwałości i odtwarzalności, dobrze tolerowana przez organizm
ludzki, łatwo łączy się z substancjami aktywnymi oraz ma określone charakterystyki
rozpuszczalności. Celuloza bakteryjna jest pochodzenia naturalnego uzyskiwana z bakterii na
drodze mikrobiologicznej syntezy, jest materiałem biokompatybilnym o bardzo wysokim
poziomie biozgodności. Materiał ten jest bardzo dobrze tolerowany przez organizm, wręcz
wbudowuje się w tkanki organizmu, które nie modyfikują go w żaden sposób.
Do wytwarzania funkcjonalnych struktur wykorzystano urządzenie Spectrum Z510
pracujące w technologii selektywnego łączenia ziaren proszku poprzez dozowanie lepiszczy.
W celu otrzymywania zadanych geometrii oraz otrzymania wymaganych własności
materiałowych przeprowadzono weryfikację i dobór parametrów procesu. Przetestowano
różne składy proszku bazowego w oparciu o dwa rodzaje celulozy, materiały uzupełniające
lub aktywatory. Dobrano lepiszcze zapewniające trwałe połączenie ziaren proszku
i odwzorowanie zadanej geometrii oraz ustalono wymagane czynności poprocesowe.
W wyniku przeprowadzonych testów wybrano konfigurację materiałów oraz parametrów
procesu zapewniającą optymalne właściwości wyrobów gotowych: charakterystyki
powierzchni, dokładność odwzorowania, porowatość materiału, wytrzymałość.
2.2. Wyniki
Przeprowadzone badania i testy doprowadziły do wyboru dwóch kombinacji materiałów,
lepiszczy oraz parametrów procesu umożliwiających wytwarzanie wyrobów
o właściwościach odpowiednich do zastosowania w regeneracji tkanek (Rys.1).
Rysunek.1 Przykładowe struktury wytworzone z materiałów na bazie celulozy.
LITERATURA
[1] K.N. Li, J.N. Wang, X.Q. Liu, X.P. Xiong, H.Q. Liu.: Biomimetic growth of
hydroxyapatite on phosphorylated electrospun cellulose nanofibers. Carbohydrate
Polymers, 90 (2012),1573–1581.
[2] J.C. Fricain, P.L. Granja, M.A. Barbosa, B. de Jeso, N. Barthe, C. Baquey, : Cellulose
phosphates as biomaterials. In vivo biocompatibility studies; Biomaterials, 23 (2002), 971–
980.
[3] M. Märtson, J. Viljanto, P. Laippala, P. Saukko; Connective tissue formation in
subcutaneous cellulose sponge implants in the rat. The effect of the size and cellulose
content of the implant; Eur. Surg. Res., 30 (1998), 419.