Aby precyzyjnie dostarczyć dawkę promieniowania przy użyciu akceleratora śródoperacyjnego, konieczny jest odpowiednio zaprojektowany aplikator. W Narodowym Centrum Badań Jądrowych opracowano nowoczesny aplikator dedykowany do akceleratora AQURE. Innowacyjny element jest lekki, przezroczysty i umożliwia bezpieczne napromienianie tkanek po usunięciu nowotworu.

Zastosowanie radioterapii śródoperacyjnej (ang. Intraoperative Electron Radiation Therapy, IOERT) pozwala na zniszczenie komórek nowotworowych, które mogły pozostać w ciele pacjenta po usunięciu guza. Polega ono na podaniu dawki promieniowania do loży pooperacyjnej bezpośrednio po zabiegu chirurgicznym. Zastosowanie tej metody pozwala na zwiększenie skuteczności leczenia oraz komfortu pacjenta, poprzez zastąpienie tradycyjnej radioterapii. Jednak aby dawka promieniowania mogła być wprowadzona bezpośrednio do ciała, konieczny jest specjalny aplikator połączony z akceleratorem elektronów. Element ten formuje ostateczny kształt wiązki promieniowania i sprawia, że jest ona równomiernie przekazana na cały obszar przeznaczony do naświetlenia. Dodatkowo kształt aplikatora zapewnia, że promieniowanie jonizujące w jak najmniejszym stopniu rozprasza się poza jego obręb, co chroni pobliskie zdrowe tkanki.

Zaprojektowanie odpowiedniego aplikatora do wykorzystania w radioterapii śródoperacyjnej wymaga spełnienia wielu założeń. Element powinien być wykonany z lekkiego, przezroczystego materiału, który nie wywoła niepożądanych reakcji w kontakcie z ciałem. Co więcej, materiał musi być odporny na działanie promieniowania i dostatecznie osłaniać pobliskie tkanki pacjenta. Ścianki aplikatora powinny być jednocześnie możliwie cienkie, by nie zwiększać nacięcia koniecznego do jego wprowadzenia.

Grupa naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Wielkopolskiego Centrum Onkologii i centrum usług druku 3D CADXPERT przeprowadziła badania, które miały wskazać optymalny kształt i materiał aplikatora, spełniający wszystkie powyższe wymagania. W  ramach prac wykonano symulacje Monte Carlo, które określiły niezbędne grubości ścianek dla kilku materiałów, takich jak stal nierdzewna, aluminium, PMMA (polimetakrylan metylu – pleksi) oraz żywica MED610. – Najcieńsze ścianki uzyskalibyśmy z wykorzystaniem stali lub aluminium. Niestety minimalna grubość rzędu 1,5 mm sprawiłaby, że koniec aplikatora będzie zaostrzony, co wyklucza jego użycie w takim celu. Z kolei zwiększenie grubości ścianki zwiększa masę całego elementu, nawet do ok. 9 kg w przypadku stali. Aplikator jest wpierw umieszczany w ciele pacjenta, a następnie mocowany do głowicy akceleratora, więc duża masa czyni go niepraktycznym do użycia przez lekarza - opisuje mgr inż. Agnieszka Misiarz z Zakładu Aparatury Jądrowej HITEC w NCBJ, pierwsza autorka publikacji. Wyniki uzyskane dla PMMA również budziły wątpliwości – niezbędna grubość ścianek osiągała nawet 20 mm.

Nową ścieżką, którą podążyli badacze, było przeprojektowanie kształtu aplikatora tak, by wraz z odległością od głowicy, ścianki stawały się coraz cieńsze. Takie rozwiązanie sprawiło, że konstrukcja była stabilna przy głowicy akceleratora, a koniec wystarczająco cienki, by nie zwiększać niepotrzebnie rozmiarów koniecznego nacięcia. Nowy kształt wymagał jednak zastosowania innego materiału i innej techniki produkcji, gdyż projekty wykonane z metalu i PMMA wykorzystywały komercyjnie dostępne części o stałej grubości ścianek. Naukowcy wybrali do tego celu żywicę MED610, a aplikator wykonano metodą druku 3D. MED610 to materiał wykorzystywany np. w stomatologii – przezroczysta żywica o wysokiej stabilności i biokompatybilności. Jest odporna na promieniowanie, może być sterylizowana w niskiej temperaturze bez utraty właściwości i jest dopuszczona do długotrwałego kontaktu ze skórą, bądź krótkotrwałego z błoną śluzową. Jej postać sprawia, że może być użyta w druku 3D. Dzięki temu nie ma ograniczeń pod względem kształtu elementu. W przypadku aplikatora dla akceleratora AQURE wykorzystano technikę druku 3D PolyJet, która umożliwiła precyzyjne odwzorowanie złożonego kształtu ścianek z dokładnością rzędu 14 mikrometrów.

Pomiary dozymetryczne wykonanego w ten sposób aplikatora potwierdziły, że spełnia wszystkie wymagania niezbędne do użycia go w radioterapii śródoperacyjnej. – Nasz projekt pokazał zalety wykorzystania technologii druku 3D do zastosowań medycznych. Dzięki współpracy kilku zespołów, stworzyliśmy nowoczesny aplikator dla akceleratora AQURE, który jest lekki, biokompatybilny i może być stosowany w leczeniu onkologicznym. Druk 3D oferuje również większą swobodę w projektowaniu kształtu, dzięki czemu w przyszłości mogą powstać spersonalizowane elementy do szczególnych zastosowań. - podsumowuje inż. Jan Trzuskowski, Dyrektor ds. Technicznych Zakładu Aparatury Jądrowej HITEC w NCBJ.

Badania przeprowadzono w ramach projektu współfinansowanego ze środków Wielkopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego 2014–2020 pod tytułem: „Stworzenie w Wielkopolskim Centrum Onkologii możliwości wdrożenia śródoperacyjnej radioterapii elektronowej z wykorzystaniem innowacyjnego akceleratora elektronowego AQURE.”

Pełne wyniki prac dotyczące opracowanego rozwiązania są dostępne w artykule: Misiarz, A., Kujawiński, Ł., Baran, M., Kaczmarek, M., Trzuskowski, J., Guzdek, K., Kruszyna-Mchalska, M. & Pawałowski, B. (2025). 3D printing from a biocompatible material for a new design of electron applicators of the intraoperative accelerator. Polish Journal of Medical Physics and Engineering, 31(4), 2025. 290-295. https://doi.org/10.2478/pjmpe-2025-0033