Имплантаты ― это целый класс изделий медицинского назначения, который заменяет человеку утраченные органы или их части. Например, стоматологический имплантат ― это искусственная опора, которая вживляется в кость челюсти и используется для поддержки зубного протеза, полноценно заменяющего утраченный зуб. Также широко применяются имплантаты для коленных суставов, протезирования костей черепа и другие.

Все медицинские изделия уникальны, так как создаются под индивидуальные особенности каждого пациента. Например, в случае с дентальными имплантатами важно знать состояние костей челюсти, десен и корней зуба. От этих параметров будет зависеть форма и размер имплантата.

Чтобы имплантат прослужил дольше, быстрее прижился после операции и не вызвал воспаления тканей, его поверхности придают функциональные свойства — например, антибактериальности и биосовместимости. Обычно чтобы придать биосовместимые свойства имплантату, его поверхность подвергают пескоструйной обработке, которая увеличивает шероховатость. Затем выполняют процедуру травления сильными кислотами и анодирование, чтобы придать поверхности антибактериальные свойства. Единой системы, которая позволила бы обработать имплантат с помощью одной технологической установки, нет. Как раз такую систему на базе лазерных технологий и предложили исследователи ИТМО.

Что предложили ученые ИТМО

Научные сотрудники Института лазерных технологий ИТМО вместе с индустриальным партнером ― компанией «Лазерный Центр» ― разработали универсальный роботизированный комплекс для обработки поверхностей медицинских изделий. Комплекс оснащен волоконной лазерной системой и, по словам авторов разработки, обладает несколькими преимуществами:

Универсальность. С помощью комплекса можно обрабатывать и медицинские изделия, например скальпели и хирургические ножницы, и имплантаты для разных частей тела  — зубов, черепа, тазобедренного и коленного сустава.

Все изделия можно обрабатывать «под ключ» в единой системе. Команда проекта разработала и объединила лазерные технологии обработки поверхности, которые запускаются попеременно:

• Технология придания поверхности антибактериальных свойств. Она предотвращают бактериальные осложнения, приводящие в конечном счете к отторжению имплантата. При лазерном нагреве на поверхности титанового имплантата формируются оксидные пленки, которые при последующем облучении ультрафиолетовым источником проявляют бактерицидные свойства.
• Технология придания поверхности биосовместимых свойств. С помощью лазера на поверхности формируется особый рельеф с уникальными свойствами. Методом лазерной абляции создается биомиметический микро- и нанорельеф, который способствует хорошей адгезии белков на ранних этапах остеоинтеграции, клеточной пролиферации и дифференцировке. Это и обеспечивает успешную приживаемость имплантата в организме.
• Технология нанесения нетоксичных идентификационных знаков на поверхности медицинских титановых изделий. Обязательная по закону маркировка позволяет отследить жизненный цикл продукта — от разных этапов производства до конечного пользователя.

«Мы создали универсальный комплекс, который позволит без использования каких-либо расходных материалов и дополнительных инструментов функционализировать поверхность широкого пласта медицинских изделий. На одной лазерной установке можно использовать несколько технологий обработки — придавать поверхности медицинских изделий биосовместимые и антибактериальные свойства, управлять шероховатостью поверхности, а также наносить идентификационный знак для маркировки», — рассказала младший научный сотрудник Института лазерных технологий ИТМО Юлия Карлагина.

Пример работы универсального роботизированного лазерного комплекса. Видео: Евгений Шамшин

Роботизированный комплекс работает с медицинскими изделиями, которые создаются под конкретный случай. Достаточно загрузить в программу 3D-модель имплантата и указать, какие элементы трехмерной электронной геометрической модели нужно обработать. ПО разработали члены команды проекта в ИТМО.

В состав комплекса входят шестиосевой робот-манипулятор и лазерная сканирующая система, установленная на руке робота. Таким образом, система объединяет высокую точность позиционирования лазерного излучения, достигаемую оптическими методами, и универсальность роботизированных систем. Возможность сориентировать луч лазера относительно поверхности изделия по всем шести пространственным координатам позволяет обрабатывать изделия сложной формы в одном технологическом цикле.

Чтобы оператору комплекса было проще определить положение изделия в реальности, команда проекта добавила в программное обеспечение систему компьютерного зрения. Помимо реального положения, система передает алгоритмам информацию о реальной ориентации и геометрических параметрах изделия для обеспечения прецизионной лазерной обработки.

«Те роботизированные решения, которые на сегодня внедрены в промышленности, заточены под обработку изделий, выпускаемых крупными сериями. Оператор задает комплексу программу в виде последовательности действий, заточенных под конкретные изделия, и затем установка многократно повторяет эти действия. Такой подход очень тяжело применять при производстве мелкосерийных или уникальных изделий, так как для каждого нового изделия требуется трудоемкая подготовка программы. А наша разработка позволяет быстро подготовить программу для нового изделия и сразу запустить его обработку», — объяснил научный сотрудник Института лазерных технологий ИТМО Федор Иночкин.

Также команда проекта создала еще одну установку — автоматизированный  компактный лазерный комплекс для обработки дентальных имплантатов и их компонентов. В отличие от универсальной лазерной установки, этот комплекс предназначен для придания антибактериальных и биосовместимых свойств конкретным медицинским изделиям.

«Функционал у обеих установок отличается, и это влияет на их стоимость и выбор конечного потребителя. Если производителю нужно обрабатывать узкий диапазон медицинских изделий, например только дентальные имплантаты, ему подойдет второй автоматизированный комплекс. Первый универсальный роботизированный комплекс предназначен для работы с более широким спектром медицинских изделий, в том числе индивидуальных. Например, если человек получил травму черепа, для него создается черепной имплантат, который учитывает индивидуальные особенности человека. Универсальный роботизированный комплекс позволяет придавать требуемый набор функциональных свойств персонализированным имплантатам с учетом их уникальной формы», — отметила Юлия Карлагина.

Что дальше

Ученые ИТМО совместно с соисполнителями проекта, Самарским государственным университетом, уже провели предварительные испытания опытных образцов обоих комплексов ― в частности, доклинические испытания изделий, обработанных на разработанных комплексах. Все изделия успешно прошли испытания in vitro (на клетках и на бактериях) и in vivo (на живых организмах) и рекомендованы к клиническим испытаниям.

Дальше разработчики комплексов планируют провести приемочные испытания, после которых комплексы будут готовы к эксплуатации и серийному производству. Также команда проекта намерена привлечь новых индустриальных партнеров. В перспективе роботизированные комплексы могут использоваться на производствах медицинских изделий и разных видов имплантатов.

«У нас уже есть технологии функционализации поверхности имплантатов, и сейчас вместе с "Лазерным Центром" мы будем искать потенциальных партнеров, которые смогут внедрить их на свое производство. Также мы можем под запрос партнера модифицировать комплексы. Например, добавить второго робота-манипулятора, который будет вместо оператора доставлять в установку новые имплантаты», — рассказала старший научный сотрудник Института лазерных технологий ИТМО Галина Романова.

Проект реализуется в рамках постановления Правительства РФ № 218. Заказчик — производитель лазерного оборудования ООО «Лазерный Центр». Также команда проекта продолжает активно развивать новые научные идеи по этой тематике в рамках программы «Приоритет-2030».

Добавим, что коллектив исследователей Института лазерных технологий ИТМО не первый год занимается исследованиями по обработке медицинских титановых сплавов. Вместе с индустриальным партнером «Lenmiriot» исследователи уже разработали дизайн поверхности дентальных имплантатов, который помогает им быстрее приживаться после операции и при этом не вызывает воспаление тканей. В 2022 году Lenmiriot объявил о выходе на рынок дентальных имплантатов, обработанных по лазерной технологии ученых ИТМО.