Warunki panujące w ludzkim organizmie stwarzają bardzo rygorystyczne kryteria dla materiałów stosowanych na elementy endoprotez. Ich trwałość jest ograniczona ze względu na procesy zużycia tribologicznego, zmęczenia materiału, inicjację procesów korozyjnych i reakcji tribochemicznych. Problemy te skłaniają do ciągłego podejmowania prób opracowywania nowych stopów lub modyfikacji już istniejących m.in. poprzez zastosowanie odpowiednich technologii. Należy pamiętać, że czas eksploatacji endoprotezy w istotnej mierze zależy także od doboru odpowiednich parametrów geometrycznych jej komponentów składowych i ich dopasowaniu do sąsiadujących struktur kostnych.
Ograniczona ruchliwość, siedzący tryb pracy, nieprawidłowa postawa, nadwaga, to tylko niektóre czynniki, które mogą prowadzić do rozwoju chorób zwyrodnieniowych kręgosłupa. Choroby te najczęściej rozwijają się w obrębie krążków międzykręgowych (dysków). Postęp choroby skutkuje zmniejszeniem się wysokości zwyrodniałego dysku, pogorszeniem jego właściwości amortyzujących, ograniczeniem fizjologicznej ruchomości oraz nadmiernym obciążeniem stawów międzykręgowych.
Stosunkowo nową procedurą inwazyjną leczenia, umożliwiającą uwolnienie chorych od dyskogennych bólów kręgosłupa, jest całkowita endoprotezoplastyka krążka międzykręgowego (CEKM). Zabieg polega na resekcji zwyrodniałego krążka i implantacji do przestrzeni międzytrzonowej endoprotezy „sztucznego dysku”. W wyniku operacji przywrócona zostaje kręgosłupowi stabilność, prawidłowa ruchomość operowanego segmentu ruchowego, a także odtworzona zostaje wysokość przestrzeni międzytrzonowej i krzywizna lordozy.
W Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu, we współpracy z Politechniką Warszawską, w latach 2010-2013 w ramach Projektu Rozwojowego Nr 13-0014-10 zajmowano się tematyką związaną z opracowaniem nowej, trójelementowej konstrukcji endoprotezy krążka międzykręgowego odcinka lędźwiowego, o ulepszonych właściwościach funkcjonalnych.
Prace projektowe nad konstrukcją endoprotezy, rozpoczęto od analizy wyników badań tomograficznych (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI) odcinków lędźwiowych kręgosłupa u pacjentów kwalifikowanych do zabiegu CEKM. Na podstawie danych zapisanych w formacie DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine). Przy użyciu specjalistycznego oprogramowania wygenerowano modele 3D segmentów ruchowych, uzyskując informacje nt. anatomiczno-geometrycznych cech trzonów i przestrzeni międzytrzonowej segmentu ruchowego L4-L5.
Zbiory danych, które zostały wygenerowane jako przestrzenne obiekty geometryczne zapisano w formacie STL. Format ten, umożliwia eksport danych do większości programów komputerowych, służących do przeprowadzenia analiz numerycznych MES, jak również wykorzystanie technik szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping).
Jedną z najczęściej stosowanych technologii szybkiego prototypowania jest technologia 3D Print (3DP, Three Dimensional Printing). Technologia 3DP, której idea oparta została na tradycyjnym druku atramentowym, została wynaleziona i opatentowana przez Michal’a J. Cima’a, w 1993 roku. Wykorzystuje ona metodę przyrostową w budowie elementów warstwa po warstwie. Proces technologiczny 3DP polega na równomiernym rozprowadzeniu przez ramię drukujące cienkiej warstwy proszku na powierzchni platformy roboczej. Podczas ruchu powrotnego ramienia drukującego, uzbrojonego w karetkę drukującą, następuje podanie płynnego spoiwa (lepiszcza).
Zadaniem spoiwa jest wstępne związanie materiału proszkowego na obszarze tworzącym przekrój powstającego modelu fizycznego oraz nadanie mu koloru. W ten sposób powstaje pojedyncza warstwa modelu. Po powrocie ramienia drukującego do pozycji bazowej, następuje obniżenie dna komory roboczej o wartość odpowiadającą grubości warstwy, a proces się powtarza.
Niezwiązany proszek, który otacza drukowany model, pełni funkcję konstrukcji wspierającej, w związku z tym nie ma potrzeby projektowania specjalnych podpór.
Po uzyskaniu dokładnych i funkcjonalnych modeli poddano je weryfikacji. Pozytywna weryfikacja dała „zielone światło” dla wykonania wytrzymałych prototypów technicznych. Komponenty endoprotez wytworzono z proszku stopu Co28Cr6Mo (ISO 5832-4) z zastosowaniem technologii selektywnego spiekania laserowego (SLM) oraz iskrowego spiekania plazmowego (SPS).
Budowa trójwymiarowych prototypów z zastosowaniem technologii SLM następuje przyrostowo, warstwa po warstwie, z dostarczanego proszku metalu. Konsolidacja proszku następuje w wyniku działania lasera, którego moc umożliwia całkowite przetopienie ziaren dostarczonego materiału. Zastosowanie odpowiednich parametrów pracy w procesie technologicznym SLM gwarantuje precyzyjne wykonanie w stosunkowo krótkim czasie. Detale charakteryzują gęstością całkowitą rzędu 98 ÷ 99,8% w porównaniu do gęstości litego odpowiednika.
W ostatnich latach na popularności zyskują metody konsolidacji proszków, które w procesie spiekania wykorzystują zjawiska fizyczne, towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego o wysokim natężeniu. Przykład takiej technologii stanowi iskrowe spiekanie plazmowe (SPS). W trakcie równoczesnego prasowania i spiekania, wskutek przepływu periodycznie powtarzanych impulsów prądu przez grafitowe stemple, matrycę i konsolidowany proszek, następuje wydzielenie dużej ilości ciepła Joule’a. Impulsowy charakter dostarczania energii wpływa korzystnie na obniżenie energii aktywacji procesów dyfuzyjnych, dzięki czemu skróceniu ulega czas spiekania, a jednocześnie zabezpiecza ziarna przed nadmiernym rozrostem.
W ramach podjętych badań określono wpływ technologii wytwarzania komponentów metalowych endoprotezy krążka międzykręgowego na właściwości fizyczne i mechaniczne, a także odporność korozyjną stopu Co28Cr6Mo. Badania tribologiczne trójelementowych endoprotez z zastosowaniem zaprojektowanego i zbudowanego w Instytucie symulatora ruchu kręgosłupa SBT- 03.1 pozwoliły wyznaczyć wartości oporów tarcia w układzie ruchu endoprotezy, w warunkach obciążeń występujących w naturalnym segmencie ruchowym L4-L5. Celem ujawnienia mechanizmu zużycia endoprotez, po zakończeniu testów tribologicznych dokonano obserwacji topografii powierzchni trących z zastosowaniem skaningowego mikroskopu elektronowego. Przeprowadzono pomiary chropowatości i określono zużycie masowe poszczególnych komponentów endoprotezy. Produkty zużycia, generowane na skutek tarcia, poddano analizie rozkładu wielkości. Po zakończeniu testów tarciowo-zużyciowych oznaczono stężenia jonów kobaltu i chromu, zawartych w cieczy smarującej.
Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały, że zastosowanie technologii SLM lub SPS w procesie konsolidacji proszku stopu Co28Cr6Mo ukazuje potencjał tych metod w zastosowaniach biomedycznych. Dokonane badania są jednymi z pierwszych na świecie, które dotyczą właściwości tribologicznych endoprotez, wytworzonych ze stopu Co28Cr6Mo z zastosowaniem technologii SLM i SPS.
Na podkreślenie zasługuje fakt, że testy tarciowo-zużyciowe przeprowadzone zostały w warunkach rzeczywistych obciążeń, występujących w naturalnym segmencie ruchowym odcinka lędźwiowego kręgosłupa. Należy podkreślić, że badane endoprotezy nie zostały poddane wcześniej obróbce cieplnej, ani też obróbce powierzchniowej, której celem byłoby polepszenie właściwości mechanicznych i tribologicznych warstw wierzchnich.
Istnieje więc uzasadniona potrzeba podjęcia w przyszłości dalszych badań, mających na celu weryfikację parametrów procesów technologicznych oraz zaproponowanie modyfikacji mikrostruktury.
dr inż. Adrian Mróz
Instytut Obróbki Plastycznej Poznań
Konstrukcja endoprotezy INOP/LSP.1101: wynalazek nr P.397825
Konstrukcja symulatora kręgosłupa SBT-03.1: wynalazek nr P.399070
artykuł pochodzi z wydania 6 (81) czerwiec 2014
