Technická univerzita v Košiciach plánuje pri 3D tlači bio implantátov využiť prevratnú metódu


Vedec Marek Schnitzer z Technickej univerzity v Košiciach (TUKE), ktorá je partnerom dvoch europrojektov Národného ústavu reumatických chorôb v Piešťanoch, získal certifikát z prestížneho Massachusettského technologického inštitútu (USA). Absolvoval tu program zameraný na inovácie v rámci aditívnej výroby. Svoje znalosti využije nielen na pôde univerzity, ale aj pri realizácii výskumných aktivít v rámci spoločných projektov. Ide najmä o prácu s inovatívnym softvérom,  využívajúcim takzvaný generatívny dizajn pri určení štruktúry materiálu pre 3D tlač.  Metóda má veľkú budúcnosť pri 3D tlači biologicky kompatibilných medicínskych implantátov či oporných prvkov pre kolonizáciu buniek – skafoldov.

 

Ako hovorí M. Schnitzer, pri generatívnom dizajne ide vlastne o opačný prístup, než aký sa pri výrobe náhrad tkanív, kostí alebo orgánov, používa teraz. V súčasnosti sa najskôr vyrobí nejaký prototyp a na základe neho sa potom optimalizuje jeho vnútorná štruktúra. Nová metóda ponúkne nielen štruktúru, ale aj tvar budúceho implantátu na základe zadaných parametrov. „Postup je taký, že sa zadefinujú základné podmienky, napríklad priestor toho finálneho produktu, aké naňho budú pôsobiť sily, ako bude uchytený a softvér automaticky vygeneruje, ako má vyzerať. Vy si vyberiete napríklad zo 120 možností, ktoré vygeneruje a všetky budú spĺňať požadované funkcie,“ vysvetľuje. Postup je možné aplikovať prakticky na všetky medicínske implantáty. „Myslím si, že toto je budúcnosť modelovania a tvorby nových štruktúr. Bude sa dať využiť na tvorbu oporných konštrukcií - skafoldov a implantačných štruktúr, kde budeme vedieť zadefinovať mechanické pomery jednotlivých tkanív alebo tkanivových štruktúr. Tento softvér nám pomôže vygenerovať riešenie, ktoré my by sme prácne museli zisťovať, modelovať. Ponúkne štruktúru, tvar, odporučí poréznosť, alebo určí miesta, kde sme povedzme v zelených poliach, alebo kde chceme optimalizovať,“ dopĺňa. Vedomosti, získané v programe na Massachusetts Institute of Technology, ktorá patrí medzi najlepšie univerzity na svete, plánuje ďalej odovzdať nielen študentom, ale využiť ich najmä pri ďalšom výskume.

 

Marek Schnitzer je zástupcom vedúceho katedry pre vedu a výskum na Katedre biomedicínskeho inžinierstva a merania Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach. Ako vedecko-výskumný pracovník jedného z partnerov - Technická univerzita v Košiciach, sa zúčastňuje naprojekte Centrum pre výskum pokročilých terapií zápalových ochorení pohybového aparátu (CPT ZOPA). Pôsobí tiež v spoločnosti Biomedical Engineering, s.r.o. , ktorá sa na Slovensku ako jediná zaoberá výrobou medicínskych implantátov na mieru a zastupuje ju v ďalšom spoločnom projekte CEMBAM – Centrum medicínskeho bioaditívneho výskumu a výroby (CEMBAM). Oba projekty, podporené z Európskeho fondu regionálneho rozvoja, sa realizujú aj na pôde Národného ústavu reumatických chorôb (NÚRCH) v Piešťanoch a združujú výnimočné personálne a technologické vedecko-výskumné kapacity. Aktivity partnerov sú zamerané najmä na výskum somatických kmeňových buniek a využitie bunkovej terapie pri ochoreniach pohybového aparátu. Košičania sa zameriavajú predovšetkým na možnosti využitia 3D tlače a biomechanické testovanie vhodných materiálov pri výrobe bio implantátov. Práve štruktúra a ďalšie skúmané vlastnosti materiálov použitých v tkanivovom inžinierstve predstavujú pre vedcov veľké výzvy.

 

Pri 3D tlači skafoldov využívajú najmä PHP resorbovateľné polyméry, ktoré vyrába ďalší z partnerov projektu CEMBAM – spoločnosť PANARA, a.s. z Nitry. Po prestavbe laboratória pripravujú na košickej univerzite spustenie bioplotera, na ktorom sa dajú tlačiť aj bunky. „Je tu päť tlačových hláv, kde vieme kombinovať nízkoteplotné plasty, vysokoteplotné plasty i organické materiály ako kolagén, chitosan, alginát, kyselina hyaluronová, rôzne druhy hydrogélov, do ktorých vieme tlačiť priamo bunky. Tak sa dajú vyrobiť priamo organoidy,“ hovorí vedec. Celý proces podľa neho prebieha tak, že vstupný materiál pre 3D tlač je umiestnený do zariadenia v laminárnom boxe v čistých priestoroch, kde sa v sterilnom prostredí sa najskôr vytlačí skafold. Ten sa  prenesie do sterilného bioreaktora, ktorý je tiež v laminárnom boxe. Bioreaktor umožní dynamickú kultiváciu buniek, čím sa vytvorí nové tkanivo. Po dvojtýždňovej kolonizácii bunkami sa celý bioimplantát prenesie na operačnú sálu a chirurg ho vloží do tela. Vedec upozorňuje aj na  časový faktor, pretože práve dva týždne sú vraj optimálne na to, aby sa z buniek nielen vytvorilo nové tkanivo, ale aby sa mohli do tela vrátiť bez zmeny ich metabolizmu.

 

„Je veľkým prínosom, že práve v NÚRCH-u sa napríklad podarilo vysegregovať urotelové bunky,“ hovorí M. Schnitzer. Ide o špeciálny bunkový systém, ktorý má aj močovod aj močový mechúr. „Sú to takzvané rozťahovateľné bunky, ktoré sú potiahnuté riasinkovým tkanivom, ktoré je úplne na inej báze ako ostatné bunky,“ vysvetľuje. Unikátne vlastnosti urotelových buniek predurčujú ich širokú využiteľnosť. „Práve pripravujeme iniciačné testy v bioreaktore na ich proliferáciu,“ dopĺňa. Spojenie výskumných kapacít v projektoch tak prináša zaujímavé výsledky, publikované aj v karentovaných vedeckých časopisoch.

 

Projekt  „Centrum pre pokročilé terapie chronických zápalových ochorení pohybového aparátu“ (akronym CPT ZOPA), kód ITMS2014+: 313011W410, je spolufinancovaný z Európskeho fondu regionálneho rozvoja, operačného programu Integrovaná infraštruktúra. Jeho cieľom je zvýšenie výskumnej aktivity NÚRCH-u a dobudovanie výskumnej infraštruktúry na vznik špičkového pracoviska pokročilých terapií na medzinárodnej úrovni. Prijímateľom nenávratného finančného príspevku vo výške 5 788 811,28 EUR je Národný ústav reumatických chorôb, Nábr. I. Krasku 4, 921 12 Piešťany. Partnermi projektu sú Chemický ústav Slovenskej akadémie vied, REGENMED, spol. s r. o., Technická univerzita v Košiciach.

 

Projekt „Projekt „CEMBAM - Centrum medicínskeho bioaditívneho výskumu a výroby“ (akronym CEMBAM), kód ITMS2014+:313011V358, je spolufinancovaný z Európskeho fondu regionálneho rozvoja, operačného programu Integrovaná infraštruktúra. Projekt je zameraný na výskum a vývoj v oblasti pokročilých medicínskych terapií. Cieľom projektu je dosiahnuť prostredníctvom multidisciplinárneho konzorcia pozostávajúceho z výskumných inštitúcií štátneho, verejného a súkromného sektora prínos v oblasti výskumu kmeňových buniek, so zameraním na výskum a vývoj arteficiálnych tkanív prostredníctvom 3D biotlače, ktoré umožnia aktívnu regeneráciu poškodeného tkaniva v rámci liečby reumatoidnej artritídy. Prijímateľom nenávratného finančného príspevku vo výške  9 071 645,91 EUR je Národný ústav reumatických chorôb, Nábr. I. Krasku 4, 921 12 Piešťany. Partneri: Biomedical Engineering, s.r.o., Košice; DB Biotech, a.s., Košice; Chemický ústav Slovenskej akadémie vied, Bratislava; MEDICAL VISION, občianske združenie, Bratislava; PANARA, s.r.o., Nitra; REGENMED spol. s r. o.,Bratislava; Technická univerzita v Košiciach.

Oba projekty sú v agende Výskumnej agentúry.

„Informácie o Operačnom programe Integrovaná infraštruktúra 2014 – 2020 nájdete na www.opii.gov.sk“