A betegség vagy sérülés miatt károsodott ujjízületek pótlása a jövőben az egyik legfontosabb egészségügyi piac lehet.

A FingerKIt konzorcium, amelyben a Fraunhofer Társaság öt intézete egyesítette az erőit, a mesterséges intelligencia által létrehozott, egyénre szabott ízületi implantátumokat fejleszt 3D-nyomtatók és különleges 3D-nyomtatási eljárások segítségével, hogy szükség esetén helyettesítsék a hiányzó ujjrészeket. A módszer lehetővé teszi, hogy a szakemberek kiemelten figyelhessenek a részletekre és különböző minőségű felületeket hozhassanak létre. A FingerKIt implantátumokkal még a széles körben elterjedt betegség, a reumatoid arthritis miatt súlyosan görbült ujjak is optimálisan kezelhetők.

Amennyiben az ujjízületek mozgásképtelenné válnak, az komoly korlátozást, fizikai és lelki terhet jelent - bizonyos foglalkozási csoportok, például a zenészek, sebészek vagy kézművesek számára pedig gyakran a karrier végét is jelenti. Az ujjízületek sérülése akár egy sportbaleset, akár a reumatoid arthritis népbetegség miatt bekövetkezhet. Amennyiben egy ujjízület ma baleset vagy betegség miatt elveszíti funkcióját, a kezelési módszerek korlátozottak: a legtöbb esetben merevítést végeznek, de ez súlyosan akadályozza a betegeket a mindennapi életben. Amennyiben implantátumot kell beültetni, jelenleg két lehetőség van a piacon: szilikon implantátumok, amelyek sok esetben gyorsan meglazulnak és egy újabb műtéttel kell felülvizsgálni azokat vagy egyszerűen kézzel készített standard implantátumok, amelyeket csak bizonyos méretekben kínálnak és nem tesznek lehetővé minden mozgást. Az optimális betegellátás célja ezért egy pontosan illeszkedő, nem csúszó és a korábbi mobilitást visszaállító megoldás - azaz egy egyénre szabott implantátum - kell, hogy legyen.


A kidolgozott új koncepció alapján egy automatizált folyamatláncban gyorsan, biztonságosan és tanúsítottan kell gyártani a fémből vagy kerámiából készült, egyénre szabott ujjízületi implantátumokat. Ennek érdekében a Fraunhofer Társaság Digitális Orvostudományi Intézetének (MEVIS) a tudósai először egy mesterséges intelligenciával támogatott szoftvert fejlesztettek ki, amely képes kétdimenziós röntgenfelvételekből kiszámítani az ujjcsontok háromdimenziós modelljét, és korrigálni az ujjak esetleges helytelen helyzetét. A Fraunhofer Társaság Additív Gyártástechnológiák Kutatóintézetének (IAPT) a munkatársai ezután az ujjmodellből mesterséges intelligencia segítségével levezették az egyedi implantátumtervet, és 3D-nyomtatással megvalósították azt. Mivel nagyon finom és filigrán struktúrákat kellett reprodukálni, a kutatók fémkötőanyag-sugárzással dolgoztak, azaz az alkatrészek rétegenkénti felépítésével, amelyeket egy következő lépésben szintereznek - azaz tömörítenek és erősítenek.

A Fraunhofer Társaság Kerámiatechnológiai és Rendszertechnológiai Intézetének (IKTS) a szakemberei az implantátumokat "near-net-shape manufacturing" eljárással állították elő - amelynél a kívánt végső kontúrhoz a lehető legközelebbi terméket készítettek, így csak néhány utómunkára volt szükség. A tudósok kerámia anyagokat is használtak, amelyeket egy különleges gipszöntési eljárással dolgoztak fel. A Fraunhofer Társaság Toxikológiai és Kísérleti Orvostudományi Intézetének (ITEM) a szakértői az implantátumok biológiai kompatibilitásával és tanúsításával kapcsolatos kérdésekkel foglalkoztak, míg a Fraunhofer Társaság Anyagmechanikai Intézet (IWM) tudósai a mechanikai terheléseket szimulálták.


A projekten végzett munkájuk során a kutatók számos újítást fejlesztettek ki: "A háromdimenziós implantátumtervezés mesterséges intelligencia alapú kiszámítása 2D-s sablonokból, például röntgenfelvételekből teljesen új, és időközben szabadalmi bejelentés is érkezett" - árulta el Dr. Arthur Seibel, a Fraunhofer IAPT alkatrésztervezési osztályának munkatársa. Kollégája, Dr. Philipp Imgrund, a Fraunhofer IAPT folyamatminősítési osztályának vezetője hozzátette: "A folyamattechnológia is különleges: mivel az implantátum tengelyének szerkezete nagyon filigrán, a 3D nyomtatási eljárásként titánhoz fémkötőanyag-sugárzást alkalmaztunk. Az eljárás lehetővé teszi a kis, összetett implantátumok nagyon precíz gyártását, és ugyanakkor lehetővé teszi, hogy a szár felszínét úgy strukturáljuk, hogy az jobban belenőjön a csontba. Ezenkívül lehetővé teszi számunkra, hogy minimálisra csökkentsük az illesztési felületek utómunkálatait, amelyeknek a lehető legsimábbnak és legkevésbé súrlódónak kell lenniük."

A FingerKIt projekt eredményei jó hírt jelentenek minden olyan beteg számára, akinek eddig nem tudtak kielégítően segíteni. Az innovációknak köszönhetően a jövőben még a bonyolult esetek - erősen görbült ujjak, hiányzó csontrészek, nagyon kicsi ízületek - is nagyon jól kezelhetők lesznek.

Az automatizált modellkészítésnek és a 3D-nyomtatásnak köszönhetően a személyre szabott gyártás időt is megtakarít: a kutatók első számításai szerint az implantátum beültetéséig általában szükséges idő akár 60 százalékát is meg lehetne spórolni. Így néhány napon belül elképzelhető a szerelés, ami a rövidebb kórházi tartózkodás miatt alacsonyabb kórházi költségeket is eredményez. További előny, hogy az eredeti ízületre épülő konstrukciónak köszönhetően a korábbi megoldásokhoz képest jelentősen jobb mobilitás érhető el. Dr. Imgrund így összegezte a tapasztalatokat: "A FingerKIt teljesen megváltoztathatja például a reumás ízületi gyulladás kezelését. Az egyénre szabott implantátummal történő kezelés válhat az arany standarddá."

Technológiailag a FingerKIt fejlesztése mára olyan előrehaladottá vált, hogy a termék egy orvostechnológiai ágazatból érkező partnerrel közösen piacéretté válhat. A mesterséges intelligencia-alapú tervezés és gyártás működik, már vannak bemutatásra kész implantátumok. A következő lépés a jóváhagyáshoz vezető út követése. Dr. Imgrund leszögezte: "Jelenleg olyan vállalati partnereket keresünk, akik know-how-jukkal segíthetnek nekünk abban, hogy a mesterséges intelligencia által létrehozott orvosi termékeinket piacra tudjuk dobni."