Nowe kości dla astronautów

0

Warunki mikrograwitacji stanowią znaczące niebezpieczeństwo dla zdrowia astronautów. W takim środowisku postępuje odwapnienie kości, mogące doprowadzić do kontuzji lub kalectwa. Z uwagi na przyszłe załogowe misje kosmiczne, ważne jest opracowanie sposobu do walki z tą niedogodnością, ze względu na bezpieczeństwo ludzi biorących udział w dalekich wyprawach.

Medycyna kosmiczna poszukuje odpowiedzi na pytanie, jak zapobiegać odwapnieniu kości – od poziomu komórkowego po ogólne treningi dla astronautów. W tym samym czasie inżynierowie opracowują metody wytwarzania sztucznych przyspieszeń na statkach kosmicznych. Jednak na dzień dzisiejszy to wciąż zbyt mało i choć spowolniono utratę masy kostnej, nie udało się jeszcze wytworzyć szczepionki na tę „dolegliwość”, a tym bardziej sztucznej grawitacji zbliżonej do ziemskiej.

Jak w takim wypadku mogą poradzić sobie astronauci, których ubytki kostne są znaczące? Z pomocą może przyjść połączenie biologii, inżynierii materiałowej, chemii i… inżynierii mechanicznej w postaci systemów komputerowego wspomagania projektowania (CAD – Computer Aided Design). Ta wiedza umożliwia wydrukowanie ubytków kostnych przy pomocy drukarek 3D.

Inżynierowie i naukowcy z Washington State University podołali wyzwaniu i po pierwsze: opracowali taki materiał ceramiczny, który z powodzeniem udaje tkankę kostną, a po drugie: przystosowali przemysłową drukarkę 3D, w której materiałem wyjściowym były metale, do tego, by jako budulec wykorzystywała materiały ceramiczne.

Drukarka 3D Ex One 1 służy do konstrukcji prototypów różnych obiektów – przede wszystkim części maszyn o skomplikowanych kształtach. Spiekane są w niej proszki metali, dlatego wyzwaniem było zoptymalizowanie całego procesu pod czyste i domieszkowane proszki ceramiczne TCP (fosforan wapnia – tricalcium phosphate), tworzące rusztowania fragmentów nowych kości. Proces tworzenia przebiegał w kilku etapach: pierwszy to skanowanie miejsca, gdzie wystąpił ubytek kostny, następnie przeniesienie trójwymiarowego obrazu do programów CAD-owskich. Wirtualne wzorce po odpowiedniej obróbce trafiają do drukarki, gdzie warstwa po warstwie wsadowe proszki są natryskiwane aż utworzą pożądany kształt. Dla całego procesu potrzeba dobrania odpowiednich parametrów pracy drukarki – innych dla czystego TCP, a innych dla TCP domieszkowanego.

Drobne rusztowania, po wydrukowaniu, są jeszcze wygrzewane i spiekane (ze względu na polepszenie właściwości mechanicznych oraz sterylizację). Testy In vitro wskazują na to, że wytrzymałość na ściskanie osiowe znacznie wzrasta w przypadku domieszkowanych materiałów (0,25% ZnO oraz 0,5% SiO2 w B-TCP). W przypadku 500 mikrometrowych przestrzeni między beleczkami, ich wytrzymałość wynosi ok. 10 MPa. Wytrzymałość ta jest zbliżona do wytrzymałości istoty gąbczastej w kościach, która waha się w granicach od 0,5 do 14 MPa.

Nowe fragmenty kości były przyjmowane stosunkowo szybko. Co ważniejsze, domieszkowanie cynkiem (będącym ważnym składnikiem kości) przyspiesza rozrost nowych tkanek. Umożliwia to naturalne „działanie” całego systemu kostnego, w tym produkcję czerwonych krwinek w szpiku kostnym.

W przyszłości zapewne będą pojawiać się coraz lepsze biomateriały – o dużej wytrzymałości mechanicznej i łatwo zrastające się z żywymi komórkami. Być może tak wygląda przyszłość załogowej astronautyki, gdzie mikrourazy kośćca będą dopuszczalne ze względu na możliwość szybkiego „wstawienia” brakujących fragmentów. W takim wypadku nie będą potrzebne bardzo duże przyspieszenia w systemach generowania sztucznej grawitacji. Dodatkowo niebezpieczeństwo trwałego kalectwa po podróży na Marsa (którego grawitacja jest o wiele słabsza od ziemskiej) znacznie spada, kiedy istnieje możliwość dobudowania brakujących fragmentów kości. Co ważniejsze, wszelkie naprawy będą postępować szybko ze względu na możliwości drukarek 3D.

Więcej informacji na temat całego procesu: Gary A. Fielding, Amit Bandyopadhyay, Susmita Bose, Effects of silica and zinc oxide doping on mechanical and biological properties of 3D printed tricalcium phosphate tissue engineering scaffolds. Dental Materials, 2011; DOI: 10.1016/j.dental.2011.09.010

Proces drukowania części maszyny (lub fragmentu kości) przebiega w kilku etapach. Na platformie bazowej budowana jest pierwsza warstwa części, którą opracowujemy. Platforma bazowa jest obniżana wraz z przyrostem formy. Nanoszone są kolejne warstwy proszku ceramicznego lub metalowego. Operacja jest powtarzana aż do uzyskania kształtu gotowej części (środkowa ilustracja). Po tym niepotrzebny proszek jest usuwany (np. ten wypełniający otwory). Otrzymany obiekt przechodzi cieplne procesy wewnątrz drukarki w celu utwardzenia. (Credits: Ex One Company)

Share.

Comments are closed.