Руководитель технического проекта в Лёвенском университете, Зиберт, объясняет, как технологии LAMP и экструзионного формования расплава могут улучшить производство медицинских препаратов и повысить эффективность растворения лекарств.
0:00 / 0:00
От устранения многочасовых циклов печного производства в стекольной промышленности до перепроектирования процесса растворения плохо растворимых лекарств в организме — Леонард Зиберт применяет материаловедение для решения двух наиболее сложных проблем в инженерной сфере.
Зиберт, специалист по материаловедению из Кильского университета (CAU) и в настоящее время приглашенный исследователь и руководитель технического проекта в Лёвенском университете (KU Leuven), занимается инновациями на уровне технологических процессов для ускорения, повышения энергоэффективности и повышения клинической значимости передовых методов производства.
Он разработал метод лазерной экструзионной печати расплавом (LAMP), позволяющий осуществлять прямую 3D-печать стекла без длительного спекания. В качестве постдокторанта программы Марии Кюри он сейчас руководит проектом DRUG-SPIN, применяя методы экструзионной печати расплавом для улучшения растворимости лекарственных препаратов и сокращения количества фармацевтических отходов.
В настоящее время Зиберт является приглашенным научным сотрудником и руководителем технического проекта в бельгийском Лёвенском университете (KU Leuven) и обладает более чем десятилетним опытом работы в области материаловедения. Сейчас он применяет этот опыт для переосмысления того, как передовые производственные технологии, в частности 3D-печать, могут изменить фармацевтическую промышленность и медицину.
В этом интервью для Interesting Engineering (IE) Зиберт обсуждает, как обработка материалов, от лазеров до быстрого охлаждения, может изменить как производство, так и медицину.
Интересные инженерные решения: Расскажите о вашем пути в мир научных исследований .
Леонард Зиберт: По образованию я материаловед. Меня привлекла эта область тем, как она сочетает физику, химию и инженерию в реальных практических приложениях.
После окончания аспирантуры я продолжил обучение в докторантуре, потому что меня всегда интересовало создание чего-либо. Именно поэтому моя диссертация была посвящена аддитивному производству, то есть 3D-печати. Я также начал работать непосредственно с врачами над решением клинических проблем с помощью материалов, напечатанных на 3D-принтере. Это показало мне, как исследования могут принести реальную пользу пациентам.
IE: Почему именно материаловедение?
Я изначально не планировала заниматься материаловением. В школе меня больше интересовала химия пищевых продуктов. В детстве я даже хотела стать поваром, потому что мне нравилась идея сочетания ароматов и создания различных блюд.
Затем мой отец упомянул, что у него есть коллега, который занимается нанотехнологиями в Кильском университете, поэтому мы посетили факультет. Мне понравилась атмосфера. Я сразу почувствовала себя как дома и решила изучать материаловедение.
IE: Ваша работа связывает аддитивное производство, передовые материалы и медицину. Как ваша карьера развивалась в такой междисциплинарной области?
Всё началось ещё в начале моей учёбы. Ко второму семестру я уже работала научным ассистентом, занимаясь синтезом функциональных материалов, таких как оксид цинка. Наша группа начала изучать 3D-печать, и я стала первой аспиранткой, которая этим занялась. Меня это сразу же заворожило.
Когда в Германии в 2015–2016 годах началось развитие 3D-печати, мы приобрели свой первый большой принтер. Затем естественным образом стали появляться медицинские проекты. Биомедицина и материаловедение очень хорошо сочетаются, поэтому сочетание материалов, устройств и клинического сотрудничества возникло со всех сторон.
IE: Во время работы над докторской диссертацией вы провели около трех месяцев в Гарварде. Как этот опыт повлиял на ваш подход к исследованиям?
Период учебы в Гарварде был очень напряженным. Нагрузка и ожидания были чрезвычайно высоки, и когда ты работаешь в такой команде, ты, естественно, подстраиваешься под этот темп. Я научился тому, что значит продвигать проект вперед с настоящей сосредоточенностью и энергией.
В этой среде царила междисциплинарная атмосфера. Я тесно сотрудничал со студентами-биомедиками и биоинженерами, которые обучали меня культивированию клеток, работе с белками и методам, выходящим за рамки моей первоначальной подготовки. Это дало мне более широкое представление о биомедицинской стороне материаловедения.
IE: В конечном итоге, эти исследования и опыт привели вас к созданию лазерной печати расплавом (LAMP), нового метода 3D-печати стеклом.
Идея зародилась во время моей ранней постдокторской работы, когда мы сотрудничали с кафедрой стоматологии над созданием керамических реставраций с помощью 3D-печати. Керамику очень сложно производить, потому что она хрупкая и имеет высокие температуры плавления.
Между тем, традиционное измельчение и длительные циклы работы в печи (от пяти до семи часов при температуре около 1700 градусов Цельсия [3092 градуса Фаренгейта]) были неэффективны и вызывали разочарование. Я по натуре нетерпелив, поэтому меня постоянно мучил вопрос, можно ли мгновенно нагреть и затвердеть напечатанные структуры.
В то время в нашей лаборатории появился лазерный резак на CO2-лазере, и я начал экспериментировать с тем, можно ли запекать керамические чернила под воздействием света. Это быстро стало навязчивой идеей. Позже мы перешли от диоксида циркония к стеклу, потому что его более низкая температура плавления и прозрачность позволяли легче контролировать процесс.
Было много препятствий. Поэтому так приятно видеть, как далеко мы продвинулись. Теперь этот метод работает надежно. Он вызвал интерес у крупных производителей стекла и других предприятий отрасли.
IE: Почему LAMP важен? Каковы его наиболее перспективные области применения?
3D-печать особенно ценна, когда нужно создать что-то уникальное. И это как раз тот случай, когда речь идёт о биомедицинских приложениях. Костные трансплантаты, зубные протезы и имплантаты изготавливаются с учётом индивидуальных особенностей пациента, поэтому 3D-печать здесь вполне уместна. Деталь можно изготовить непосредственно по данным пациента без использования пресс-форм, фрезерования или резки.
Материалы с высокой температурой плавления, включая керамику, всегда представляли собой проблему. Для достижения свойств, необходимых для имплантации, требуются длительные циклы печного нагрева. Вот тут-то и пригодится технология LAMP. Она позволяет печатать и полностью уплотнять материал за один этап, без процесса спекания в течение ночи. Теоретически, можно получить материал, готовый к имплантации немедленно.
Значительная экономия энергии также имеет место. В печах необходимо нагревать всю камеру. LAMP нагревает только материал и точное место, к которому прикасается лазер. Таким образом, вы получаете экономию времени и энергии, что является существенным преимуществом.
IE: Насколько LAMP близок к реальному применению?
Это пока еще область фундаментальных исследований. У нас есть потенциальные области применения, однако в биомедицинском секторе ставки очень высоки. Любой имплантат для человеческого тела требует строгого нормативного одобрения, тщательного контроля качества и полной сертификации.
В настоящее время LAMP находится примерно на 4-м уровне технологической готовности – это лабораторный демонстрационный образец. Следующим шагом будет сосредоточение внимания на конкретном варианте применения, например, на реставрации зубов, усовершенствование процесса и сотрудничество с клиническими партнерами для его тестирования в исследовании. В реальности это займет не менее пяти лет. Но фундамент прочный.
IE: Помимо LAMP, вы получили стипендию Марии Кюри для своего проекта DRUG-SPIN.
Этот проект возник в результате спонтанной научной дискуссии. Большинство лекарств представляют собой крошечные кристаллы, и около 90 процентов разрабатываемых в настоящее время соединений плохо растворимы в воде. Это огромная проблема, поскольку наш организм в основном состоит из воды, поэтому всасывается лишь небольшая часть лекарства. Пациенты часто принимают, по сути, передозировку, при этом до 95 процентов лекарства проходит через организм неиспользованным и попадает в сточные воды.
Но просто изменить химический состав, чтобы эти лекарства лучше растворялись, невозможно, поскольку изменение молекулы нарушит их терапевтический эффект. Вместо этого решение состоит в том, чтобы разрушить кристаллическую структуру и сделать лекарство аморфным. В такой форме оно будет растворяться гораздо легче, до 100 раз быстрее.
Мой вклад заключался в применении методов материаловедения. В нашей области материал плавят и очень быстро охлаждают, чтобы контролировать его структуру. Затем мы поняли, что никто не применял этот метод, экструзионное формование расплава, в фармацевтике, хотя он является стандартом в материаловедении с 1960-х годов.
IE: Как работает технология экструзионного формования расплава в разработке лекарственных препаратов?
Метод прост: лекарство расплавляют и распыляют на быстро вращающееся медное колесо. Высокая теплопроводность меди практически мгновенно охлаждает материал. Вращение растекает его тонким слоем, в конечном итоге образуя аморфные ленты.
Моя задача в этом проекте — разработать процесс, варьировать скорость охлаждения и охарактеризовать, как каждое условие влияет на свойства лекарственного препарата. Цель — создать препараты, которые лучше растворяются, действуют эффективнее и требуют значительно меньших доз, что позволит сократить производство, транспортировку и количество отходов.
IE: Почему растворимость лекарственных препаратов представляет собой такую серьезную проблему в фармацевтике?
Потому что это определяет, какое количество лекарства организм может фактически усвоить. Когда вещество плохо растворяется, пациентам приходится принимать гораздо более высокие дозы, часто несколько раз в день. Большая часть лекарства просто проходит через организм, не будучи использованной.
Остатки в конечном итоге попадают в сточные воды и окружающую среду. Например, ученые обнаружили кокаин в крови акул у берегов Рио-де-Жанейро, поскольку эти вещества перемещаются по водным путям и накапливаются в морских организмах.
В настоящее время около 40 процентов лекарств, находящихся в продаже, плохо растворимы в воде. И 90 процентов лекарств, находящихся в разработке, имеют ту же проблему. Если мы не решим эту проблему сейчас, эффективность лечения снизится, результаты лечения пациентов ухудшатся, а загрязнение окружающей среды возрастет.
IE: Вы также работали над гидрогелями, имитирующими человеческие ткани. Какую проблему вы пытались решить с помощью этой материальной системы?
Эта работа стала результатом нашего сотрудничества с радиологической клиникой. Мы участвовали в крупном проекте, направленном на внедрение процессов искусственного интеллекта для оценки медицинских изображений. Одной из проблем, с которыми столкнулись наши партнеры, было отсутствие подходящих обучающих данных, поэтому им нужны были реалистичные, настраиваемые модели.
Для этого мы разработали фантомы с КТ- и ультразвуковыми свойствами, которые точно имитируют человеческие ткани. Мы сканировали эти фантомы с помощью обеих методик, чтобы системы искусственного интеллекта могли обучаться на надежных и согласованных данных.
IE: Большая часть вашей работы находится на стыке инженерии и медицины. С какими основными трудностями вы сталкиваетесь при соединении этих двух областей?
Одна из проблем — языковой барьер между инженерами и врачами. Мы имеем совершенно разное образование. Я не врач, поэтому не совсем понимаю практические ограничения человеческого организма. В то же время врачи не всегда знакомы с ограничениями или возможностями материаловедения.
Первый шаг — это всегда поиск общего языка. Именно поэтому мы тратим много времени на обсуждения, прежде чем начать что-либо разрабатывать. Как только все поймут друг друга, проект будет продвигаться гладко.
IE: Вопросы устойчивого развития затрагиваются в нескольких ваших проектах. Насколько важно сокращение энергопотребления в ваших исследованиях?
Я думаю, что энергетика станет определяющей исследовательской задачей на следующие 50-100 лет. Совершенно очевидно, что в конечном итоге ископаемое топливо закончится, а наши нынешние методы производства и хранения возобновляемой энергии по-прежнему недостаточны. Поэтому во всех сферах общества нам необходимо задуматься о том, как более эффективно использовать энергию.
Я стараюсь внести свой вклад, разрабатывая процессы, которые по своей сути используют меньше ресурсов и энергии. Это меня очень мотивирует, потому что это соответствует моему главному убеждению, что мы должны гораздо бережнее относиться к нашим ресурсам, особенно к энергии. Важность этого будет только расти в будущем.
IE: Какой важный научный вопрос вам больше всего интересно будет исследовать в ближайшее время?
Меня вдохновляет идея использования технологии LAMP для объединения материалов, которые никогда ранее не сочетались. Меня также интересуют материалы, которые можно переконфигурировать в процессе производства. Меня мотивируют проекты, направленные на улучшение качества жизни людей. В идеале, в будущем передовые исследования материалов и реальное клиническое применение в конечном итоге объединятся.
IE: Какой совет вы бы дали молодым ученым?
Сохраняйте любопытство и открытость ума. Обращайте внимание на то, что еще никто не пробовал или даже не представлял. Именно эти неожиданные идеи могут сформировать технологии будущего.
Всегда можно обнаружить гораздо больше, чем ожидаешь. Эксперимент, который, казалось бы, провалился, часто может содержать в себе зачатки чего-то нового. Многие крупные открытия произошли именно так: рентгеновские лучи, пенициллин, резина. Ни одно из них не появилось бы, если бы исследователи строго придерживались своих первоначальных планов.
Sourse: interestingengineering.com
