3D spausdinimas ir medicinos fantomai: KTU mokslininkai kuria naują pažangią medžiagą sveikatos priežiūros sektoriui

Nuo akmens, bronzos ar geležies amžių iki šio, mokslininkų pavadinto silicio amžiumi,  kiekvieną didesnę žmogaus civilizacijos pažangą lėmė medžiagų ir jų panaudojimo progresas. Siekiant gerinti gyvenimo kokybę, užtikrinti tvarumą ir sumažinti žmonių poveikį planetai, reikalingos vis naujos medžiagos.

Kad būtų lengviau suprasti, kokios transformacijos vyksta ekonomikoje ir pramonėje, Pasaulio ekonomikos forumas (PEF) sudarė strateginius žemėlapius. Vienos iš sparčiai besivystančių sričių, kurių sudėtingiems pokyčiams ir plėtros kryptims suvokti sudarytas technologijų ir sričių tinklas – tai pažangios medžiagos ir trimatis (3D) spausdinimas.

Pastarasis sukėlė perversmą gamybos pramonėje, tačiau dabar jau stebina vis naujais taikymais: žmogaus organų, prieinamų būstų ar net gyvenimui Mėnulyje ar Marse pritaikytų buveinių spausdinimas.

Jau dabar 3D spausdinimas įsitvirtina ir medicinos sektoriuje, o taikymai šioje srityje išties stulbina. 3D technologijos medicinai vystomos ir Kauno technologijos universitete (KTU) –  Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (MGMF) doktorantas Antonio Jreije kuria naujas medžiagas, kurios naudojamos medicininių fantomų spausdinimui.

– Antonio, abejonių, kad naujos medžiagos yra būtina sąlyga pramonės pažangai, nekyla. O kokia yra jų svarba medicinos srityje?

– Medicinos technologijos dabar pasiekė klinikinių tyrimų kokybės ir diagnostikos piką, taip pat didžiulę pažangą pacientų saugumo ir sveikatos priežiūros įrangos, ortopedijos srityse, o biomedicinos ir ląstelių regeneravimo technologijos išlieka dar priešakyje. Čia, kaip ir bet kuriame kitame sektoriuje, siekiant kurti vis naujus įrenginius ir technologijas, naujos pažangios medžiagos tiesiog būtinos.

Dalis technologijų, sparčiai besivystančių medicinoje, skirtos personalizuotam gydymui ir jo tikslumo užtikrinimui. 3D spausdinimo tyrimai apima chirurginių priemonių, individualizuotų ortopedinių implantų ir protezų, medicininių fantomų kūrimą, taip pat audinių inžinerijos taikymus.

– Medicininiai fantomai – kas tai ir koks jų tikslas?

– Jonizuojančiosios spinduliuotės taikymai diagnostikoje ir gydyme atveria vis daugiau galimybių. Visgi, išlieka ir rizikos, susijusios su spinduliuotės panaudojimu, ypač, kuomet gydymui naudojamos didelės dozės. Siekiant užtikrinti saugumą spindulinių procedūrų metu, į pagalbą pasitelkiami žmogaus kūno imitaciniai modeliai – medicininiai fantomai.

Tai tokios fizinės struktūros, sukurtos biologinių žmogaus audinių sąveikai su spinduliuote atkartoti. Klinikinėje aplinkoje naudojami fantomai varijuoja nuo paprastų stiklinių cilindrų, pripildytų vandens, iki sudėtingų antropomorfinių fantomų, tiksliai imituojančių žmogaus kūną.

Diagnostinės radiologijos srityje šie prietaisai padeda optimizuoti procedūras užtikrinant, kad pasiekiant maksimalius gydymo rezultatus, paciento dozė būtų kuo mažesnė. Be to, šie fantomai naudojami radioterapijoje planuojant gydymą, siekiant patikrinti, ar apskaičiuotą spinduliuotės dozę galima saugiai perduoti navikui, apsaugant šalia esančius audinius ir organus.

– O jūs kuriate medžiagas šiems fantomams spausdinti?

– Mokslininkų susidomėjimas 3D spausdintuvu spausdintais fantomais, kurie naudojami kokybės užtikrinimui radioterapijoje, atsirado neseniai. Akivaizdu, kad jie yra pranašesni už komercinius fantomus, nes sumažina dozės paklaidas ir pagerina gydymo planavimo rezultatus.

Dabartiniai 3D fantomai spausdinami naudojant komercinius termoplastikus, tokius kaip akrilnitrilo butadieno stirenas (ABS) ir poliaraktinė rūgštis (PLA), kurie imituoja minkštuosius audinius (riebalus, skydliaukę, baltąją ir pilkąją medžiagas ir kt.). Tačiau šios medžiagos negali atkartoti žmogaus kaulų savybių – fizinio tankio ir spinduliuotės sugerties savybių.

Taigi pagrindinis mano tyrimų tikslas yra rasti ir charakterizuoti naujas medžiagas, kurios būtų  ekvivalenčios kaulams ir galėtų būti sėkmingai atvaizduotos 3D spausdinimo būdu.

– Skamba labai įdomiai. Kaip atliekami visi tyrimai? Kokių žinių ir įgūdžių reikia tokiems mokslo tyrimams?

– Trumpai tariant, pirmas žingsnis apima spausdinimo medžiagų, turinčių norimas savybes  – reikiamą fizinį tankį, spinduliuotės sugertį, dozės pasiskirstymą tūryje ir t. t. – charakterizavimą ir kūrimą. Vėliau medžiaga būna paruošiama 3D spausdinimui. Atliekant eksperimentus vertinama medžiagos kokybė, nuodugniai tiriamos jos mechaninės, šiluminės ir kitos savybės.

Pastaruoju metu vis populiarėja tarpdisciplininiai tyrimai, kuomet vystant mokslinę veiklą integruojamos skirtingų mokslo sričių žinios. Šia koncepcija vadovaujuosi ir savo tyrimuose, kuriems reikalingos medžiagų mokslo, fizikos, inžinerijos, biologijos ir chemijos žinios.

Be pastarųjų, labai svarbu kompiuterinio modeliavimo patirtis, taip pat kūrybinis mąstymas ir problemų sprendimo įgūdžiai.

– Kaip manote, ar jūsų tyrimų rezultatai gali turėti įtakos medicinos fizikai?

– Komerciniai antropomorfiniai fantomai yra brangūs (kainos prasideda nuo 20 tūkst. Eur) ir ne visos sveikatos priežiūros įstaigos turi finansinių išteklių, reikalingų jiems įsigyti. Tuo tarpu profesionalus trimatis spausdintuvas kainuoja nuo 1,5 tūkst. iki 5 tūkst. eurų.

Atskleidus 3D spausdinimo naudą radioterapijoje ir kuriant naujas spausdinimo medžiagas, 3D spausdintų fantomų technologija gali būti įdiegta kone kiekvienoje sveikatos priežiūros įstaigoje. Ligoninės galėtų nebrangiai spausdinti fantomus pagal savo poreikius.

– Išties, technologijos komercializavimas būtų naudingas. Kokie jūsų lūkesčiai?

– Medicinoje svarbu ne tik gydymo rezultatų optimizavimas, bet ir pacientų saugumas. Radioterapijos atveju išankstinis gydymo planavimas yra svarbiausias žingsnis užtikrinant optimalų spinduliuotės patekimą į naviką, kartu išsaugant sveikus audinius nuo žalingo jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio.

Pasitelkiant personalizuotus 3D spausdintuvu spausdinamus fantomus būtų galima tiksliau numatyti dozės pasiskirstymą pagal klinikinį taikinį, kas leistų tiksliau paveikti vėžį ir padėtų išvengti susirgimo pasikartojimo. Be to, sumažinus šios technologijos kainą, visiems pacientams būtų prieinamas aukščiausios kokybės spindulinis gydymas.

– Atrodo, kad jūsų atlikti tyrimai yra tikrai perspektyvūs?

– Taip, tikrai perspektyvūs. Mano mokslinių tyrimų grupė, vadovaujama KTU MGMF Fizikos katedros profesorės Dianos Adlienės, turi sukauptą išties reikšmingą patirtį šioje mokslo srityje:

sukurta ne viena novatoriška medžiaga, kurią galima pritaikyti medicinos fizikos srityje, įskaitant modifikuotų dozių gelius 3D dozių pasiskirstymui įvertinti ir lanksčias lengvas apsaugines medžiagas nuo spinduliuotės poveikio.

3D spausdinimo panaudojimo radioterapijoje galimybių tyrimai buvo pradėti dar 2018 m. Be medicininių fantomų gamybos buvo sukurtas ir in-house algoritmas, leidžiantis tiksliai atkurti paciento vidinių struktūrų trimačius modelius, tinkamus 3D spausdinimui.

Taip pat 3D spausdinimas buvo pritaikytas paciento specifiniams boliusams gaminti. Šie boliusai gali būti suprojektuoti specifiškai pagal pacientą ir pagaminti naudojant 3D spausdintuvą, siekiant pagerinti paviršinių navikų radioterapinio gydymo rezultatus.