В Петербургском ИТМО разработали робокомплекс для обработки медицинских имплантатов

Ученые ИТМО разработали универсальный роботизированный комплекс для обработки поверхностей медицинских изделий. С его помощью металлическим имплантатам можно придавать антибактериальные и биосовместимые свойства, а также наносить маркировку. Комплекс удобен в использовании: чтобы получить нужный эффект, достаточно загрузить 3D-модель имплантата в специальную программу, задать траекторию обработки и выбрать режим.

Поверхность костных имплантатов для лучшей приживаемости должна быть биосовместимой и антибактериальной. Эти же свойства нужны и другим медицинским изделиям. Для них также важна персональная маркировка, которая в том числе помогает врачу быстрее выбрать нужный медицинский инструмент на операционном столе. Классические методы обработки поверхностей (например, пескоструйная обработка — "обстреливание" поверхностей при помощи песка или другого абразивного материала для придания шероховатости) требуют много затрат на расходные материалы. Кроме того, они не могут придавать имплантатам сразу несколько функций: при улучшении одних свойств зачастую снижается эффективность других.

Ученые ИТМО предложили комплексное решение, которое позволит получать медицинские имплантаты и инструменты сразу со всеми нужными свойствами. Это роботизированная система, состоящая из лазерной установки, шестиосевого робота-манипулятора и программного обеспечения (ПО). Лазерная установка, оснащенная гальванометрической сканирующей системой, отвечает за высокую точность обработки — ее собрал и предоставил индустриальный партнер проекта ООО "Лазерный центр". В робота встроено компьютерное зрение, благодаря чему система адаптируется под точные положение и геометрию изделия.

Весь комплекс включает четыре технологии: технологии придания антибактериальных и биосовместимых свойств, управления шероховатостью поверхности и нанесения цветных идентификационных знаков.

"Чтобы объединить все составляющие в одну "умную" систему, мы разработали ПО. Это интеллект комплекса, который анализирует поставленную оператором задачу и выдает команды роботизированному комплексу в режиме "онлайн". ПО написано на промышленных языках программирования С и С++ с использованием современных технологий. У программы удобный интерфейс: инженеру нужно лишь загрузить в нее 3D-модель имплантата, отметить участки для обработки и выбрать режим работы лазерной установки — мощность, длительность, скорость и частоту следования импульсов излучения. При необходимости реализованные в ПО алгоритмы компьютерного зрения "подскажут" программе, как скорректировать процесс под конкретное изделие", – рассказал Федор Иночкин, научный сотрудник института лазерных технологий ИТМО.

Прежде чем внедрить в роботизированную систему все четыре технологии, авторы проекта исследовали и проверили каждую из них. Эксперименты in vitro (на клетках) и in vivo (на живых организмах) проведены в партнерстве с коллегами из Самарского государственного медицинского университета.

"Антибактериальные свойства придаются с помощью оксидного слоя титана, активируемого ультрафиолетовым излучением. Это позволяет избежать воспалений из-за бактерий. Биосовместимости для успешной приживаемости имплантата в организме удается добиться за счет рельефа с особой геометрией. Лазерная технология управления шероховатостью поверхности изделия, созданного аддитивными методами (создание трехмерных объектов путем послойного добавления материала), позволяет удалять "не спекшиеся" частицы порошка, которые могут отколоться и отправиться "в свободное плавание" по организму. Последняя технология — это цветная маркировка. На поверхность можно нанести, например, логотип компании или QR-код со "вшитой" информацией о дате и месте производства. Причем для этого не нужна краска или другие расходные материалы", – объяснила Юлия Карлагина, младший научный сотрудник института лазерных технологий ИТМО.

Роботизированный комплекс особенно актуален для производителей индивидуальных титановых имплантатов: например, черепных имплантатов, челюстных мембран, коленных чашечек. Он справляется даже со сложными формами и умеет "пробираться" в труднодоступные зоны. Подготовка программы занимает несколько часов, время самой обработки одного изделия зависит от сложности и размеров: в среднем — это 10-15 минут.

"Несколько лет назад наша лазерная технология обработки зубных имплантатов была внедрена в реальное производство. Этот результат стал заделом для создания автоматизированного комплекса, который способен работать с разными видами имплантатов и реализовывать сразу несколько технологий. Мы готовы адаптировать уже разработанные системы под конкретного производителя, либо создать новое решение, включая ПО и технологическую документацию (инструкцию), под ключ", — отметила Галина Романова, директор института лазерных технологий ИТМО.

Проект реализуется в рамках постановления Правительства РФ № 218. Заказчик — производитель лазерного оборудования ООО "Лазерный Центр".