A miskolci Nanotechnológiai Laboratóriumban két terület foglalkozik az orvosi alkalmazásokkal: egyik a tömbi-nanoszerkezetű titán területe, a másik a nanomedicina. Az előbbivel foglalkozik Dr. Krállics György, a miskolci laboratórium egyik osztályvezetője, aki egyben a BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék docense. Őt faggattuk erről a legtöbbünk számára merőben új témával kapcsolatban.
Mi is az a nanotechnológia?
Ha ezzel a XXI. századi vívmánnyal tisztában akarunk lenni, akkor ismernünk kell a nano-méreteket és szerkezeteket.
Amiben élünk az a méteres világ, a nanometer 10-9 méter, a tizednanométer pedig az atomátmérők nagyságrendje. A nanométeres objektumok néhány atom kiterjedésűek. Ha nanotechnológiáról beszélünk, akkor olyan eljárásokról van szó, amelyek alkalmazásával ebben a mérettartományban tudjuk az anyag szerkezetét befolyásolni, módosítani, esetleg új objektumokat tudunk létrehozni.
Mennyiben hasonló, illetve eltérő ezen technológia a hagyományos technológiákhoz viszonyítva?
Egy példát mondok a hagyományos és a nanotechnológia közötti különbség érzékelésére, ami Biró László Péter Bevezető gondolatok a nanotechnológiáról cimű írásában található.
Hagyományos késfenéskor anyagot távolítunk el abban a reményben, hogy ami visszamarad, az elég éles lesz. Ezzel szemben a "nanotechnológus késfenő" annak a módját keresi, hogyan lehet rábírni a vas atomjait, hogy úgy épüljenek egymás mellé, hogy egy tökéletes, egyetlen atomsorból álló élben végződjön a kés. Míg szokványos anyagmegmunkáló eljárásaink rendszerint a "felesleges" anyag eltávolításán alapulnak, addig a nanotechnológia a "szükséges" anyag atomjainak irányított összerakására törekszik.
Hogyan fogalmazná meg Ön a nanotitán kutatócsoport célját, feladatát?
Az általunk használt titán a tömbi nanoszerkezetű anyagok csoportjába tartozik. Nemcsak a titán, hanem a legtöbb fém ilyen állapotba hozható. Látszólag hagyományos mérnöki anyagokról, rudakról, lemezekről van szó, amelyek különlegessége a szemcseszerkezetben van, aminek méretei a 100 nm tartományba esnek és emiatt ezek az anyagok különleges tulajdonsággal rendelkeznek.
A kutatócsoport feladata ilyen szemcseszerkezettel rendelkező fémes (alumínium, réz, titán, stb.) félgyártmányok előállítása speciális technológiával, az ún. intenzív képlékeny alakítással. A titán rudakból és lemezekből ezt követően hagyományos megmunkálási technológiákkal orvosi implantátumokatt lehet előállítani, amelyek a megfelelő orvosbiológiai vizsgálatok elvégzése után humán alkalmazásra kerülnek.
Az intenzív képlékeny alakítás meglepően régi technológia, például a damaszkuszi acél, illetve kard ilyen eljárással készült, amely nanoszerkezetet eredményezett annak ellenére, hogy az akkori mesterek nem tudtak a nanoszerkezetekről.
Az egészségügy titán-implantátumot használ sok helyen. Miért éppen ezt az anyagot alkalmazza e célra a tudomány?
Néhány olyan fémes anyag van, amelyekből az emberi szervezetbe beépíthető implantátumot lehet előállítani. Ezen fémes anyagok sorában a titán az egyik legigéretesebb. A titán kiváló biológiai összeférhetőséget mutat az emberi szervezettel, nem vált ki allergiás reakciókat, nagyon kevéssé ionizálódik fiziológiai oldatokban, korróziós termékei pedig nem toxikus hatásúak. A fémtitán mechanikai tulajdonságai azonban normál szemcseszerkezet esetén nem elégségesek az implantátumokhoz.
A titánötvözetek (de nem a fémtitán) használata a nyugati világban mindennapossá vált, míg a magyar egészségügyben - nyilván az ára miatt is - jóval kevésbé használják, mint amennyire indokolt lenne.
A titánnak minden nano-eljárás nélkül is van jó néhány olyan tulajdonsága, ami nemcsak az orvostechnikában, hanem a repülőgépiparban is nagyon kedvező:
relatíve kisebb sűrűségű, illetve fajsúlyú az acélhoz képest, míg a szilárdsága olyan nagyságrendű, mint az acélé, és viszonylag jól megmunkálható.
A titán mechanikai tulajdonságai alapállapotban, vagyis fémtiszta állapotban óhatatlanul kedvezőtlenebbek, mint az ötvözetei esetében, de ez többé-kevésbé minden fémes anyagra jellemző.
Milyen eljárásnak vetik alá a titánt, mielőtt az emberi szervezetbe kerül?
Ha tiszta állapotban építenénk be a titánt az emberi szervezetbe, akkor az a mechanikai terhelés szempontjából nem lenne előnyös. Ezért a mai orvosi gyakorlat az, hogy ötvözetek formájában használják a titánt, amelyek nagyobb szilárdságúak. Ha a fémtitánt alávetik az intenzív képlékeny alakítási folyamatnak, akkor sok tulajdonsága előnyösen megváltozik, például a szilárdsága a többszörösére nő, ugyanakkor ötvöző anyagot nem tartalmaz. Minél kevesebb ötvöző anyagot tartalmaz az orvosi implantátum, annál kevésbé terheli meg az emberi szervezetet és annál jobb a biokompabilitása is. Ezért előnyös a nanoszerkezetű titán alkalmazása.
Milyen problémák merülhetnek fel az implantátumok alkalmazásakor?
Implatátumokkal több probléma is felmerülhet. Például az egyéni érzékenység, ha a szervezet nehezen viseli a fémes anyag jelenlétét. A fémes anyagok - tulajdonságaik révén - hosszú éveken át károsíthatják a biológiai anyagot. A titán viszont nagyon jó biokompatibilitást mutat az emberi szervezettel.
Hogyan kell elképzelni az implantátumok gyártását?
Magyarországon több cég is van, ahol gyártanak implantátumokat, amelyek tulajdonképp gépészeti jellegű alkatrészek, mint csavarok, lemezek, rudak vagy ezek kombinációja. A félgyártmányokból alapvetően forgácsolással történik a késztermékek előállítása.
Megkerestünk néhány implantátum gyártót, akik már eddig is alkalmaztak titánötvözeteket. Tárgyaltunk velük, illetve közös pályázatokat adtunk be és nyertünk meg, annak érdekében, hogy nanotitánból is gyártsanak implantátumokat. A munka során orvosi partnerekkel együttműködve elindítottunk olyan biológiai vizsgálatokat és teszteket, amelyek a nanotitánnak az élő szervezetben való viselkedését vizsgálják.
A technológiai fejlesztések során olyan módszereket dolgoztunk ki, amelyekkel nemcsak laboratóriumi, hanem ipari körülmények között tudunk nagymennyiségű nanotitánt előállítani, amely alapjául szolgálhat az implantátum gyártásnak.
Magyarországon hol végeznek nanokutatásokat?
A magyarországi kutatók szerencsére időben felismerték a nanotechnológia és a nanoszerkezetű anyagok jelentőségét, így hamar ráálltak a kutatásra. Az országban több helyen, egyetemi és akadémiai kutatóhelyeken is zajlik ezen a területen kutatás. Miskolcon nemrég jött létre a Nanotechnológiai Laboratórium, de Budapesten, Szegeden és Debrecenben is folynak kutatások. Az egyes kutatóbázisok különböző területekkel foglalkoznak, mintegy kiegészítve egymás tevékenységét.
Milyen eszközökkel vizsgálják a nanoszerkezetű anyagokat?
A nanoszerkezetű anyagok vizsgálata különleges és nagyon drága (többszáz millió Ft-os nagyságrendű) eszközöket, pl. elektronmikroszkópokat, mikroszondákat, röntgen-diffrakciós berendezéseket, stb.) igényel. Minél kisebb objektumokat vizsgálunk, annál drágább, költségesebb berendezésre van szükség. De a méteres világ ismerete mellett manapság a fejlődés elengedhetetlen része a nanovilág részletes ismerete is.
