Mechatronik Tage Karlsruhe 2008:

Hochkomplexe mechatroniczne systemy są nieodłączne w medycynie i jej pokrewnych dziedzinach. Przyspieszają diagnozy, prowadzą do bardziej efektywnej walki z chorobami i minimalizują zakres operacyjnych interwencji. Do znanych przykładów zastosowań w naukach o życiu należą mikrofluidyczne systemy analityczne, np. systemy Lab-on-Chip do kapilarnej elektroforezy, oraz w medycynie i biomedycynie miniaturowe systemy operacyjne oparte na endoskopach i systemy stentów. W ramach dni mechatroniki, od 15 do 16 września 2008 roku w Centrum Kongresowym Karlsruhe, specjalna sesja medyczna, na podstawie wybranych referatów, zajmuje się potencjałem bio-mikrosystemów, tj. zastosowaniem systemów mikrotechnicznych w naukach o życiu, medycynie i biomedycynie. PD Dr. Andreas Guber z Centrum Badawczego Karlsruhe przedstawia w wstępnym wykładzie najważniejsze tematy bio-mikrosystemów, obejmujące od biomateriałów, przez biosensorik, inżynierię tkanek (?hodowla tkanek?), po minimalnie inwazyjną diagnostykę i terapię w chirurgii. Tematy te są następnie pogłębiane w poszczególnych referatach specjalistycznych.

Mikrosystemy w medycynie –
Szybka, bezbolesna diagnoza i skuteczny podawanie leków
Nauki o życiu rozwijają się jako najważniejszy obszar zastosowań technologii mikro- i nano. W przyszłości zostanie zastosowanych znacznie więcej leków dla mniejszej liczby pacjentów, z korzyścią dla wysokiej skuteczności, dzięki dokładnej diagnozie i lokalizacji choroby oraz klasyfikacji pacjenta, co zapewni wysoką skuteczność leku i wykluczy niebezpieczne skutki uboczne. Technologia mikro-nano jest wykorzystywana do opracowywania nowych substancji farmaceutycznych, systemów podawania leków oraz do szybkiej, bezbolesnej diagnostyki. Dzięki już dostępnych bio-chipom można przeprowadzać szybkie diagnozy na miejscu (Point of Care) przy użyciu minimalnych ilości krwi lub innych płynów ustrojowych. Mikrospektrometr Boehringer Ingelheim micro Parts umożliwia dziś bezkontaktowe określenie poziomu bilirubiny w krwi za pomocą spektroskopii optycznej. Jako przykład nowego systemu podawania leków, który został możliwy dzięki technologiom mikrosystemów, Dr Reiner Wechsung z Boehringer Ingelheim micro Parts GmbH przedstawia bezpaliwowy rozdrabniacz Respimat, używany w leczeniu chorób dróg oddechowych. Obecne badania na całym świecie z nanopartikami jako nośnikami leków mają na celu lokalne leczenie ognisk chorób, takich jak rak, bez uszkadzania zdrowych tkanek otoczenia. Trwają pierwsze testy kliniczne, co w ciągu kilku lat może doprowadzić do przełomu w terapii nowotworów.

Zastosowanie pamięci kształtu i superelastycznych stopów w medycynie
Stopami, które po odwracalnej transformacji sieci krystalicznej (przemianie martensytycznej) mogą zmieniać swój kształt geometryczny, nazywa się stopy pamięci kształtu. Wyróżnia się efekt pamięci kształtu termiczny, czyli stop, który pod temperaturą poniżej określonego punktu może wyglądać na plastycznie odkształcony, ale po ponownym podgrzaniu wraca do pierwotnego kształtu, oraz efekt pamięci kształtu mechaniczny, czyli stop, który po działaniu zewnętrznego naprężenia wykazuje wysoką pozorną elastyczność. Doskonała biokompatybilność, bezpieczeństwo w zginaniu, stałość napięcia i kompatybilność z MRI sprawiły, że NiTi stał się nieodłącznym materiałem w medycynie. Obecnie stop ten jest wykorzystywany w narzędziach neurochirurgicznych, naczyniowych i kardiochirurgicznych. Bernd Vogel z ENDOSMART GmbH opisuje rozwój w dziedzinie medycyny opartej na właściwościach stopu NiTi.

Systemy stentów – innowacyjne technologie i przyszłe zastosowania
Stenty to delikatne, cylindryczne, najczęściej metalowe mikroprecyzyjne implanty, zwykle o strukturze siatki, służące do poszerzania naczyń krwionośnych. Ze względu na minimalne ryzyko operacji, te mikro-mechaniczne elementy cieszą się dużym powodzeniem. Ciągły trend miniaturyzacji i technik minimalnie inwazyjnych znajduje odzwierciedlenie w rozwiązaniach makro- i mikro-mechatronicznych podczas procesu rozwoju i produkcji tych implantów: konieczne jest zintegrowanie wielu wymagań biomedycznych, takich jak zasady funkcjonowania, komponenty systemu, bezpieczeństwo i biokompatybilność, w końcowym produkcie. Przykładowo, przełomowe koncepcje zaawansowanych systemów stentów obejmują stenty wieńcowe i obwodowe, systemy filtrów, wewnątrzsercowe systemy zamykające (PFO) oraz systemy zastawkowe serca (PAV). Oprócz inżynierskich metod rozwoju produktu, Gerd Siekmeyer z Admedes Schuessler GmbH opisuje złożoność i strategię realizacji medycznych ultradokładnych implantów, wynikającą z równowagi między różnymi potrzebami klinicznymi, projektowymi, produkcyjnymi i regulacyjnymi.

Nowe i innowacyjne technologie tekstylne, zwykle z polimerowych monofilamentów lub wielofilamentów, które rozszerzają kliniczne zastosowania czystych metalowych systemów stentów, są krótko omówione, wraz z ich przyszłym potencjałem, np. w systemach stentów do leczenia tętniaka aorty brzusznej (AAA). Przedstawione są trendy i rozwój mikro-mechatronicznych systemów stentów (np. na metalowych, biodegradowalnych lub polimerowych systemach). Na zakończenie prezentacji omówione są nowe zastosowania mikro-stentów w obszarze nerwowym.

?Tissue Engineering? – produkcja funkcjonalnych sztucznych tkanek do zastosowań w naukach o życiu
Zdolność ludzkiego ciała do regeneracji tkanek lub funkcji narządów maleje wraz z wiekiem. Prowadzi to do chorób, które dotychczas można było leczyć głównie objawowo. Relatywnie młoda dziedzina nauki – inżynieria tkanek – dąży do tworzenia funkcjonalnych tkanek jako biologicznych zamienników. Proces ten opiera się na żywych komórkach hodowanych w specjalnie do tego celu opracowanych bioreaktorach. Takie sztuczne i długoterminowo stabilne funkcjonalne tkanki mogą być używane nie tylko w klinice jako ludzkie tkanki, ale także w podstawowych badaniach biologicznych, toksykologii czy rozwoju farmaceutycznego. Po krótkim wprowadzeniu do tego interdyscyplinarnego obszaru, Dr inż. Giselbrecht z Centrum Badawczego Karlsruhe przedstawi głównie aspekty materiałowe i inżynieryjne inżynierii tkanek w swoim wykładzie. Dzięki miniaturyzacji komponentów i integracji mikrotechnologicznych elementów i subsystemów możliwa jest dalsza optymalizacja dostępnych urządzeń oraz tworzenie zupełnie nowych systemów. Dzięki konsekwentnemu zastosowaniu bio-mikrosystemów w przyszłości można oczekiwać kolejnych innowacji technicznych w wymienionych dziedzinach, które przyniosą korzyści przemysłowi i powiązanym dziedzinom badawczym i rozwojowym.