植入物，是一种医疗器械，用于替换缺失的生物结构、支撑受损的生物结构或增强现有的生物结构。例如，种植牙是一种植入颌骨的人工支撑物，用于替代缺失的牙齿。膝关节植入物、颅骨假体等也被广泛使用。

所有植入物都是独一无二的，因为它们是根据每位患者的个体特征而设计的。以种植牙为例，了解颌骨、牙龈和牙根的状况非常重要。这些将会决定种植体的形状和大小。

为了使种植体的使用寿命更长，术后更快地稳定下来，并且不引起炎症，种植体的表面需要具有抗菌和生物相容性等特性。通常，为了使种植体具有生物相容性，需要对其表面进行喷砂处理，以增加其粗糙度。然后再进行强酸蚀刻和阳极氧化处理，使表面具有抗菌特性。目前还没有一种系统能让植入体只用一个设备就能完成加工。而ITMO 的研究人员提出了一种基于激光技术的系统，可以刚好实现这一目标。

ITMO 科学家提出的建议

ITMO 激光技术研究所的研究人员与工业合作伙伴激光中心共同开发了一种用于医疗器械表面处理的通用机器人复合体。据研发人员介绍，该综合装置配备了光纤激光系统，具有以下几个优点：

1. 多功能性。该设备可用于加工人体不同部位的植入物--牙齿、头骨、髋关节和膝关节。
2. 所有器械均可在一个设备中完成。项目团队开发并整合了激光表面处理技术：

- 赋予表面抗菌性。它能防止细菌感染最终导致植入物排斥。在激光加热过程中，钛种植体表面会形成氧化膜，随后在紫外线照射下，氧化膜会表现出杀菌特性。

- 赋予表面生物相容性。使用激光在植入体表面形成具有独特性能的特殊纹理。激光烧蚀法可形成仿生物的微米级和纳米级纹理，从而促进细胞增殖和分化的早期阶段蛋白质的良好粘附。这确保了植入物在体内的成功移植。

- 医用钛产品表面无毒标记技术。法律规定，标记可以追踪产品的生命周期--从不同的生产阶段到最终使用。

“我们研发了一种通用复合体，可以在不耗材和不使用额外工具的情况下对广泛范围的医疗器械表面进行处理。通过一台激光设备，可以应用多种加工技术，赋予医疗器械表面生物相容性和抗菌性能，控制表面粗糙度，并进行标识以实现产品标记。” — ITMO激光技术研究所的科研人员尤利娅·卡尔拉吉娜介绍道。

只需要将植入物的3D模型加载到机器系统中，并指定需要加工部分的三维电子几何模型就可进行加工处理。机器包含一个六轴机械手臂和一个安装在机器手臂上的激光扫描系统。因此，该机器结合了高精度激光定位技术和多功能性。激光束可以在所有六个空间坐标上对植入物表面进行定位，因此可以在一个周期内加工形状复杂的植入物。

为了更容易确定植入物的位置，项目团队在机器中增加了计算机视觉系统。除位置外，系统还将产品的几何参数信息传输给算法，以确保激光加工的精确性。

“当今工业中采用的机器是为加工大批量生产的产品而设计的。 操作员会按照特定产品定制的一系列操作来编写程序，然后设备会反复执行这些命令。 当生产小规模或独特的产品时，这种方法很难应用，因为每种新产品都需要耗费大量时间进行改写程序。 而我们的开发能够快速为新产品准备程序并立即开始加工处理，”ITMO 激光技术研究所研究员 Fedor Inochkin 解释道。

该团队还研发了另一个设备- 用于加工牙科植入物及其部件的自动化紧凑型激光复合机。与通用激光装置不同的是，该装置旨在为特定医疗器械赋予抗菌和生物兼容性。

"两种设备的功能有所不同。如果制造商只需要处理一小范围的医疗产品，比如只有牙科植入物，那么第二种自动化设备将更适合他们。而第一种通用机器人设备则适用于更广泛的医疗产品，包括个体化的产品。如果一个人颅骨受伤，需要为他制造一个考虑到他的个人特征的颅骨植入物。通用机器人设备可以根据其独特形状赋予个性化植入物所需的一系列功能属性," - 茱莉娅·卡尔拉吉娜（Yulia Karlagina）指出。

进一步工作

ITMO的科学家们与该项目的联合执行者萨马拉州国立大学已经对这两种复合物的原型进行了初步测试，特别是对所开发的复合物加工的器械进行了临床前测试。所有器械都成功通过了体外（细胞和细菌）和体内（生物体）试验，并被推荐进行临床试验。

接下来，复合材料的开发人员计划进行验收测试，之后复合材料就可以投入使用和批量生产了。项目团队还打算吸引新的合作伙伴。未来，复合机器人可用于生产医疗器械和各种植入物。

“我们已经拥有了处理植入物表面的技术，现在我们将与“激光中心”合作，寻找潜在合作伙伴来将这些技术引入他们的生产中。我们还可以根据合作伙伴的需求对系统进行定制修改。例如，添加第二个操作机器，以代替操作人员，将新的植入物送入装置。” — ITMO激光技术研究所的高级科研人员加琳娜·罗曼诺娃解释道。

该项目是在俄罗斯政府第218号法令的框架内实施的。订单客户是激光设备制造商Laser Centre LLC。有限责任公司。此外，该项目团队还在“2030优先计划”框架下积极推进与该主题相关的新科学理念的发展。

值得补充的是，ITMO激光技术研究所的研究团队多年来一直在研究医用钛合金的加工。 研究人员与工业合作伙伴 Lenmiriot 一起开发了一种牙种植体的表面设计，可以帮助在术后更快地愈合，并且不会引起炎症。2022年，Lenmiriot宣布推出了由ITMO科学家使用激光技术处理的牙科植入物产品进入市场。