– W ciągu najbliższych 20 lat przewidywany jest bardzo dynamiczny rozwój druku 3D w medycynie. Rozwój ten następuje w dwóch obszarach. Pierwszy to druk elementów, które są wykorzystywane w medycynie, drugi to biodruk 3D, czyli drukowanie struktur z wykorzystaniem materiałów biologicznych, które zawierają żywe komórki – uważa dr inż. Mariusz Sobol.

Anna Kułynycz: Niedawno media szeroko informowały o wydrukowanej w technice 3D żyle, której jest Pan współautorem. Jaki materiał wykorzystał Pan do jej wydruku? Jak długo trwały prace nad samym drukiem?

Dr inż. Mariusz Sobol z Katedry Informatyki Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki: Na wstępie przypomnę, że druk 3D został wykonany na potrzeby wizualizacji medycznej, która miała posłużyć do bezpiecznego przeprowadzenia operacji u chorej na nowotwór pacjentki.
Wykorzystałem standardowy filament, który powszechnie się stosuje, czyli PLA. To jest bardzo popularny termoplast. Jednak w tym przypadku zastosowałem także rzadziej spotykaną metodę druku dwoma filamentami: jeden filament prezentował żyłę, drugi prezentował występujący w niej nowotwór. Ten pierwszy był transparentny, żeby można było dokładnie zobaczyć, w jaki sposób nowotwór osadził się w żyle. Dzięki temu było widać, gdzie dokładnie nowotwór dotyka ścian żyły, gdzie jest szerszy a gdzie węższy itd.
Jeżeli chodzi o wydruk 3D, to nie jest to technologia szybka, w tym przypadku kluczowa jest precyzja, która wymaga czasu. Wydruk trwał 15 godzin. Trzeba było uzbroić się w cierpliwość, zwłaszcza, że model był drukowany z dwóch materiałów.

Otrzymał już Pan kolejne prośby od medyków o wsparcie?

Padła propozycja, żeby tworzyć formy, na których można by planować operacje wprowadzania stent-graftów do naczyń krwionośnych, w których występuje tętniak. Wprowadzenie stend-graftu do tętnicy lub żyły jest sposobem na zniwelowanie tętniaka. W tym przypadku, na podstawie przekrojów uzyskanych z rezonansu magnetycznego lub z tomografu komputerowego tworzy się model trójwymiarowy – wystarczy nawet połówkowy – w którym można umieścić stent-graft, który później – już przymierzony, odpowiednio ponacinany – może zostać wykorzystany podczas operacji pacjenta.
Kolejny projekt, w którym uczestniczę, to stworzenie fantomu układu kostnego okolic miednicy. To będzie model, na którym będą prowadzone badania ukierunkowane na zastosowania radioterapii nowotworów ginekologicznych. Fantom będzie pozwalał na badanie efektywności naświetlania radioterapeutycznego.
Obecnie fantom jest w trakcie drukowania, praca nad nim wygląda inaczej niż praca nad żyłą. W przypadku żyły model, który opracowaliśmy odzwierciedlał tkanki miękkie, tutaj skupiam się na drukowaniu modelu, który odzwierciedla tkanki kostne. Po wydrukowaniu fantom będzie uzupełniony specjalnym żelem, który będzie reprezentował tkanki miękkie – tym żelem będzie otoczony wydrukowany model struktury kostnej miednicy.

Czyli przyszłość medycyny wiąże się z drukiem 3D?

W ciągu najbliższych 20 lat przewidywany jest bardzo dynamiczny rozwój druku 3D w medycynie. Rozwój ten następuje w dwóch obszarach. Pierwszy, to druk elementów, które są wykorzystywane w medycynie jak np. spersonalizowane modele narządów czy protezy. Drugi, to biodruk 3D, czyli drukowanie struktur przestrzennych z wykorzystaniem materiałów biologicznych, które zawierają żywe komórki.

Brzmi jak science fiction

Niedługo nie będzie tak brzmiało. Myślę, że już mamy do czynienia z trendem, by w większych szpitalach i placówkach medycznych był odpowiedni sprzęt do druku 3D i oczywiście zespół, który potrafi go obsługiwać.

Jakie jeszcze widzi Pan zastosowanie druku 3D w przyszłości?

Druk 3D  rozwija się bardzo dynamicznie. Myślę tutaj np. o tak różnorodnych dziedzinach jak motoryzacja medycyna czy budownictwo. Np. firma BMW już wydrukowała na drukarkach 3D ponad milion części zamiennych.
Wiele firm zmierza w kierunku drukowania indywidualnego, medycyna tym bardziej, zwłaszcza, że każdy przypadek jest inny. Np. w Chinach coraz bardziej popularne jest drukowanie z miękkich, elastycznych elementów fragmentów ucha – po przeskanowaniu jednej małżowiny usznej u człowieka, który np. uległ wypadkowi, można na tej podstawie odtworzyć i wydrukować tą drugą, uszkodzoną. Dzięki drukowi 3D obie małżowiny są bardzo do siebie zbliżone kształtem.
Kolejną branżą, która coraz częściej sięga po druk 3D jest budownictwo. Np. w Niemczech trwają prace nad pierwszym domem wydrukowanym w tej technologii, w Holandii wydrukowano most rowerowy, który przebiega nad kanałem wodnym, a w Czechach wydrukowano dom, który pływa na barce. Moim zdaniem należy to traktować jednak bardziej w formie ciekawostki. Na dużą skalę przemysłową nie jest to technologia, która byłaby wygodna do stosowania. Bardziej widzę zastosowanie druku 3D w drukowaniu nietypowych kształtów, np. krzywoliniowych budynków, architektonicznych perełek, ale nie na skalę masową.
Ostatnio czytałem o tym, aby pomniki drukować w tej technologii, co może się sprawdzić – pomnik powstaje w jednym egzemplarzu, często ma nietypowy kształt, więc druk 3D może być rozwiązaniem wygodniejszym i dającym większe możliwości artyście niż tradycyjna technologia odlewnicza. Niedawno w Nowej Zelandii powstał duży pomnik wykonany właśnie w technologii druku 3D.
W Polsce trendy podobne są do tych na całym świecie.
Nasz kraj, jeżeli chodzi o drukarki typu FDM (czyli takie gdzie mamy filament nawinięty na żyłkę i w ok. 200 st. formujemy strukturę naszego wydruku) oraz drukarki drukujące żywicą światłoutwardzalną, określane jako SLA jest w czołówce producentów. Bardzo dużo polskich firm zajmuje się sprzedażą drukarek i filamentów. Trendy, jakie można zaobserwować w naszym kraju dotyczą głównie zastosowania druku 3D do prototypowania prototypów, mocno rozwija się druk w medycynie, w którym nie odstajemy od światowej czołówki.

Jeśli chodzi o materiał wykorzystywany w druku – czy jest materiał, którego nie da się  wykorzystać w technologii 3D?

W najpopularniejszej technologii FDM drukujemy roztopionym plastikiem – termoplastem. Natomiast w druku niestandardowym możemy drukować bogatą gamą materiałów, wtedy rzecz tylko w konstrukcji głowicy i odpowiednich parametrach drukowania – najczęściej jest to dobór odpowiedniej temperatury, która sprowadza materiał do postaci płynnej lub plastycznej. Chyba, że głowica nakłada beton lub inną zaprawę budowlaną, więc wtedy dobór temperatury nie jest potrzebny.
Kiedyś mogło się wydawać, że barierą nie do przejścia jest druk metalem. Ale już od wielu lat stosowana jest technologia DMLS, która polega na drukowaniu z proszków metalicznych roztapianych laserem o dużej mocy. Na koniec, po zastygnięciu otrzymujemy bryłę metalu o zaprojektowanym kształcie. Obecnie jest to nadal technologia droga i niedostępna w zastosowaniu domowym.
Tańsza wersja, dostępna w zastosowaniu domowym, choć oczywiście droższa niż drukowanie termoplastami typu PLA czy ABS została opracowana przez firmę BASF. Polega na tym, że na takiej samej drukarce, na jakiej drukowaliśmy np. żyłę, używamy inny filament, dwadzieścia razy droższy – rolka takiego filamentu kosztuje ok. 2 tysięcy złotych, co jednak w stosunku do maszyny drukującej metalem jest jednak bardzo niskim kosztem.
W tym filamencie zanurzone są opiłki metalu, a wypełnienie stanowi standardowy termoplast. Po wydrukowaniu wysyłamy przedmiot do producenta, dalsza procedura nie jest osiągalna w zaciszu domowym. Producent wykonuje dwie procedury: płukanie i spiekanie. Wypłukiwany jest plastik, w spiekaniu opiłki metalu zamieniane są w jednolitą strukturę metaliczną. I tak otrzymujemy element metaliczny. To bardzo przyszłościowa technologia, za rozsądne pieniądze.