Fotopolimer alapú ektoparazita eltávolító eszköz fejlesztésének támogatása számítógépes szimulációval

Napjainkra az emberi tevékenységek következtében a vadon élő állatok természetes élőhelyei jelentősen megfogyatkoztak, így azok közvetlenül a lakott területek mellett, sok esetben akár a lakott területen kénytelenek megjelenni. A kullancsok természetes gazda állatai (sün, mókus, vaddisznó, stb.) esetében ez a hatás különösen jelentős, így a gazda állatokkal együtt a kullancsok és az általuk terjesztett emberre is veszélyes vírusok és baktériumok okozta megbetegedések (Lyme-kórban, agyhártya- és agyvelőgyulladás, krími-kongói vérzéses láz, Tibola, stb...) is egyre nagyobb valószínűséggel jelennek meg közvetlen környezetünkben. A kullancsok vegyszeres írtását tiltó európai uniós irányelvek, egyezmények és jogszabályok miatt a leghatékonyabb védekezési módszer, ha az időben észlelt kullancsot a lehető legrövidebb idő alatt távolítjuk el a bőrből, mielőtt az kórokozókat juttatna szervezetünkbe. A kereskedelemben jelenleg elérhető lakossági megoldások közül az úgynevezett kullancs csipeszek bizonyulnak a leghatékonyabbnak melyekből számos fajtát megvásárolhatunk gyógyszertárakban és egyéb internetes áruházakban is. Szinte kivétel nélkül minden eszköz esetében kijelenthető, hogy helytelen használata esetén a fertőződés esélye jelentős, hiszen az összenyomott kullancsból fertőzés juthat az emberi szervezetbe. A csipeszek használata során ugyanis a kullancs megfogása érdekében nagyon pontosan kell a csipeszt a kullancs feji részéhez pozícionálni, ott megfelelő erővel megszorítani, majd húzó erőt kifejteni. A pontatlan rögzítés, vagy a nem megfelelő összeszorító erő hatására a kullancs test összenyomódhat vagy elszakadhat. Az összenyomódás következményeként szívókáján kórokozókkal szennyezett nedvek juthatnak vissza az emberi szervezetbe, testének szétszakítása esetén pedig fertőzött testrészek maradhatnak az emberi bőrben, melynek eltávolítása még nagyobb szakértelmet és bonyolultabb eszközt igényel. A Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatala által nyújtott támogatással a Labsolver Innovációs és Technológiai Kft. egy olyan ektoparazita eltávolító eljárást és hozzá kapcsolódó eszköz fejlesztését tűzte ki célul, amellyel az ektoparazita - főként kullancs - észlelését követően szinte azonnal, biztonságosan eltávolítható, ugyanakkor az eljárás alkalmazása nem igényel különösebb tapasztalatot, szakértelmet. Fontos célkitűzés továbbá, hogy az eljáráshoz kialakított eszköz segítségével a nehezen elérhető, nehezen látható testrészeken - akár tapintással - felfedezett ektoparaziták is nagy hatékonysággal eltávolíthatóak legyenek. Az eljárást és a hozzá kapcsolódó eszközt így idősek és gyengébben látók is sikerrel használhassák. Működési elvét tekintve, a kullancsot egy gyorsan kötő képlékeny anyaggal vesszük körbe a bőr felületen, majd a képlékeny anyagot megszilárdítjuk a kullancs körül. Ezt követően a megszilárdított anyagot és vele együtt a kullancsot is eltávolítjuk a bőr felszínéről, amely részben alakzáró, részben addhezív módon kötődik a megszilárdított anyaghoz. Azaz az eltávolítás anélkül történik meg, hogy a kullancs testére olyan mechanikai vagy fizikai erőt fejtenénk ki, ami a kullancs sérüléséhez, esetleges testnedveivel való fertőzés előidézéséhez vezetne. A szilárd burokkal való körbevétel másik előnye, hogy a csipesszel ellentétben nem csupán a szájszerv és feji részt rögzítjük, hanem a burok méretétől függően akár a kullancs egész testét. Ezáltal a szervek leszakadási esélye is minimálisra csökken. További előnyként említhető, hogy az eltávolított kullancs a burokkal együtt könnyen tárolható egy esetleges későbbi orvosi vizsgálat céljából. Az alábbi animációs kisfilm segítségével könnyebben megérthető az eszköz működési elve, valamint megismerhető a annak használata.

A megfelelő kullancseltávolító eszköz fontossága

Az emberre, vagy állatra jutott kullancs a test felületen szinte észrevétlenül haladva, a leggyakrabban a végtag hajlatokban, fülek mögött vagy a hajban talál ideális helyet a vérszíváshoz. Miután rögzíti magát, érzéstelenítőt juttat a bőrbe, majd szájszervével felhasítja a bőr felszínét, és megkezdi a vérszívást. A kullancsok vérszívása két fő szakaszra különíthető el. Az első 48 órában a  vérfelvétel üteme lassú, a harmadik nap után a szívás üteme fokozódik. Mivel a kullancs a felvett vér víztartalmát nyálmirigyével kiválasztja, és a sebbe visszajuttatja, ezért a fertőzés elkerülése végett fontos, hogy időben fedezzük fel és távolítsuk el a kullancsot. Az egy napon belül megtalált és eltávolított kullancs még szinte bizonyosan nem tudott fertőzést okozni. Az ebben az időszakban szakszerűen - azaz a testének összenyomása nélkül - eltávolított kullancs általi fertőzés veszélye csekély. Éppen ezért fontos, hogy gyakori ellenőrzéssel még a vérszívás előtt, vagy a vérszívási szakasz kezdetén megtalálhatjuk és eltávolítsuk a testünkről. Sajnos ebben az időszakban a testének mérete még kicsiny, emiatt nehezebben megtalálható és az eltávolítása is nehézkesebb. Emiatt egy megfelelő eszköz használata különösen javasolt. A három napos vérszívás után a kullancs mérete már többszörösére nő, így megtalálása és eltávolítása ennek megfelelően ugyan könnyebb, sajnos viszont ekkorra már a fertőzés valószínűsége szakszerű eltávolítás mellett is jelentős.

A kullancsokkal, az általuk terjesztett betegségekkel és a szakszerű kullancseltávolítással kapcsolatban további információkat talál a https://kullancs.labsolver.hu  és a https://www.facebook.com/groups/kullancseltavolitas oldalon! : 

A bemutatott új fejlesztésű kullancseltávolító eljárás lényege tehát, hogy a bőrbe ágyazódott kullancsot (vagy egyéb ektoparazitát) első lépésként ultraviola fény hatására megszilárdulni képes képlékeny közeggel vesszük körbe.  Ezt követően a közeget UV fénnyel megvilágítjuk, melynek hatására az megszilárdul, merev burkot képezbe a kullancs körül. A merev burok segítségével a kullancs alaktorzulás nélkül könnyedén eltávolítható a bőr felszínéről anélkül, hogy azon nyomóerő (pl: csipesszel összeszorító) jönne létre. Az eljárást az 1. ábra szemlélteti. 

A fotopolimer alapú ektoparazita eltávolító eszköz tervezése során kulcsszerep jut a benne alkalmazandó fotopolimer (más néven műgyanta) mechanikai tulajdonságainak. Fontos, hogy a működés során UV fény hatására rövid idő alatt létrejövő térhálósodás (folyadék-szilárd halmazállapot változás) során ne keletkezzen az emberi bőrt károsító hő, vagy káros kémiai vegyület, ugyanakkor a megszilárdult gyanta mechanikailag alkalmas legyen a kullancs eltávolítására. További információkat kaphat a fotopolimer alapú kullancseltávolító eszközről a http://usb-ctick.labsolver.hu oldalon.  Ez a tanulmány azonban azt vizsgálja, hogy a folyadék halmazállapotú műgyanta kikeményedése során annak térfogatában létrejövő zsugorodás milyen hatást gyakorol a kullancs testére. A tanulmány eredményeinek megismerésével olyan zsugorodási jellemzővel bíró gyanta kerülhet az eszközbe, amely tulajdonság biztosítja, hogy a kullancseltávolító eszköz használata során a kullancs testére nem hat nyomó erő, így a használat közbeni fertőzés veszély minimális. A fejlesztés támogatására egy mechanikai modellt dolgoztunk ki a jelenség részletes vizsgálatára. A bemutatott numerikus számítások elvégzéséhez végeselemes módszert alkalmaztunk. 

Mindezek alapján összesen tíz különböző méretű kullancs geometriát vizsgálunk, amik elemzésével átfogó képet kapunk a vizsgált mechanikai jelenség esetén a méret hatásáról. A valóságban nem biztosítható, hogy a kullancs minden esetben a cső középtengelyén helyezkedik el. Emiatt a mechanikai modellben további paramétert vezetünk be, amivel a kullancs excentricitását jellemezzük. A kullancs excentricitását a η=t/D/2-d/2 dimenziótlan paraméterrel írjuk le. Vegyük észre, hogy η=1 esetén a kullancs eléri a cső belső falát. Négy különböző excentricitást vizsgálunk: η=0; 0,3; 0,6; 0,9. Összességében ez azt jelenti, hogy 40 különböző konfigurációt elemzünk a kullancs méretére és elhelyezkedésére vonatkozólag. A gyanta magassága minden esetben H=4 mm. Jegyezzük meg, hogy a két leghosszabb kullancs geometria esetén a kullancs kilóg a gyantából. Ez olyan eset, ami a valóságban is előfordulhat, emiatt ezen méreteket is vizsgáljuk a számítások során. 

A gyanta adatlapja szerint a sűrűsége 1000-1200 kg/m3. A szimulációk során az 1100 kg/m3 középértékkel számolunk. A gyanta rugalmassági moduluszára vonatkozólag a gyártó annyit közöl, hogy E<100 MPa, de konkrét számértéket nem. Továbbá, az adatlaptól ismert a gyanta Shore A keménysége, aminek értéke 90. Habár a Shore A keményég és a rugalmassági modulusz között egyértelmű zárt alakú összefüggés nem adható meg, mégis vannak szakcikkek, amik ajánlást tesznek arra vonatkozólag, hogy miképpen lehet a Shore A keménységértékből a rugalmassági moduluszt becsülni. Gent mérései alapján az egyik elfogadott közelítést6 alkalmazva E=20.94MPa adódik a rugalmassági moduluszra, ami összhangban van a gyártói adatlappal. A fenti kifejezésben S jelenti a Shore A keménységértéket. A számítások során E=25 MPa értékkel számolunk. A Poisson-tényező értékét 0,42 értékre vettük fel szakirodalmi ajánlás7 alapján. Fotopolimerek további anyagjellemzőiről részletes elemzést találhatunk a szakirodalomban8-10. A kullancseltávolító cső anyaga a gyantához képest lényegesen merevebb, emiatt a számítások során a csőfal deformációjával nem számolunk, azt merevnek tekintjük. Az eljárás során a gyanta a cső belső falához hozzáragad, attól nem válik el. A végeselemes modell esetén emiatt a gyantát alkotó hengeres test külső palástján megfogás kényszert alkalmazunk. A gyanta alsó lapja a bőrfelülettel érintkezik, ami érdemben nem gátolja a gyanta zsugorodását, emiatt hengeres test alsó lapján lévő csomópontok mozgását nem gátoljuk. A felső szabad lap esetén is engedjük az anyag deformációját. 

Számításaink során a pontosabb modellezés végett figyelembe vesszük a geometriai nemlineárist, hiszen az alkalmazott térfogati alakváltozások az 5%-os értéket lényegesen meghaladják. A gyanta előírt térfogatváltozását a lineáris hőtágulási együttható (α) segítségével tudjuk megadni a végeselemes számítás során. Jelölje a deformált és a kezdeti konfiguráció közötti kvázi hőmérsékletkülönbséget ΔT. A geometriai nemlinearitás végett a mérnöki térfogati alakváltozás (εV) és a kvázi hőmérsékletkülönbség (ΔT) közötti összefüggés az alábbi alakban adható meg:  εV=ΔV/V0=exp(3αΔT )-1. A számítás során az αΔT szorzat értékével tudjuk kontrollálni az elérni kívánt térfogati alakváltozást.  -10%-os térfogati zsugorodás esetén αΔT=-0.0351202, amit példaképpen megadhatunk úgy, hogy értékét 0,001 1/K-re vesszük és az előírt kvázi hőmérsékletváltozásra ΔT=-35,1202 K-t állítunk be. Fontos megjegyeznünk, hogy értékének pontos specifikálása a számítás során nem szükséges, csupán az αΔT szorzat értéke számít.

A geometria végeselemes diszrektizációjához négy csomópontos lineáris tetraéder elemeket használtunk. A számítások előtt részletes hálófüggetlenségi vizsgálatot végeztünk és olyan elemméretet választottunk, ahol az eredmények már érdemben nem változtak és ezáltal a számítás pontosnak tekinthető. Illusztrálás végett a 4. ábra mutatja a végeselemes hálót az egyik kiválasztott referencia konfiguráció (d/D=0,3, v/D=0,5 és t=0) esetén. A teljes modellt ennél a példánál 257 572 elem alkotja. Amennyiben a kullancs mechanikai viselkedését nem modellezzük, hanem csak az általa kitöltött térfogat változását vizsgáljuk, akkor értelemszerűen a biztonság javára döntünk amikor a gyanta zsugorodása következtében a kullancs térfogatváltozását számítjuk. Emiatt a végeselemes modellünkben, habár a kullancsot is diszkretizáltuk, annak numerikus szempontból elhanyagolhatóan kis rugalmassági modulusz értéket (0,001 MPa) állítottunk be zérus Poisson-tényező alkalmazása mellett, hogy a térfogati rugalmassági modulusz értékét is alacsonyan tartsuk. A numerikus számítások elvégzéséhez az Abaqus11 végeselemes szoftvert használtuk, statikus implicit megoldási stratégia alkalmazásával a geometriai nemlinearitás figyelembe vételével. 

A Végeselemes számítási eredmények

A numerikus számítások során elsődleges célunk a kullancs térfogatváltozásának meghatározás minden egyes konfiguráció esetén -10%-os gyanta zsugorodás (mérnöki fajlagos térfogatváltozás) esetén. A vizsgált konfigurációkat a kullancs mérete, vastagsága és a csőben való elhelyezkedése (excentricitása) határozza meg. A kapott eredményeket az 5. ábra foglalja össze. Az ábrák függőleges tengelye minden esetben a kullancs térfogatváltozását jelöli. Az a) és b) ábrák a v/d=0,5 esethez, míg a c) és d) ábrák a v/d=1 esethez tartoznak. Az első és egyben legfontosabb következtetésünk, hogy a számított fajlagos térfogatváltozás minden esetben pozitív, vagyis a kullancsot reprezentáló térfogat a gyanta zsugorodása következtében mindig nő, hozzávetőlegesen 5-20% közötti fajlagos térfogatváltoás értékkel jellemezhető a konfigurációtól függően. A legkisebb mértékű térfogatváltozás a legnagyobb kullancs geometria (d/D=0,9) esetén jelentkezik, hiszen ebben az esetben a teljes térfogatban a kullancs által kitöltött térfogat nagyobb, mint a gyanta térfogata és ennek következtében a gyanta zsugorodása csak kisebb mértékű térfogatváltozást tud előidézni a kullancs térfogatán. Vegyük észre, hogy a kullancs mérete és a kapott térfogatváltozás közötti nemlineáris viselkedést: a vizsgált konfigurációk közül a d/D=0,3 esetben egy lokális maximumot fedezhetünk fel a kisebb excentricitások esetén. Ez az összetett nemlineáris viselkedés a numerikus szimulációk nélkül egyszerűsített analitikus számításokkal minden bizonnyal nem fedezhető fel. További megfigyelésünk, hogy a legkisebb kullancs geometria (d/D=0,1) kivételével a kapott térfogatváltozás csak kis mértékben függ az excentricitástól. Ellenben d/D=0,1 esetén az excentricitás növelésével a kullancs térfogata rohamosan növekszik. A v/d=1 vastagság esetén néhány kullancs mérete akkora, hogy radiális irányban is kilóg a csőből, emiatt értelemszerűen ezen konfigurációkat nem vizsgáljuk és ezekhez eredmény sem tartozik az ábrákon. Vegyük észre, hogy a kullancs vastagsága (v/d arány) jellegét tekintve nem változtat az eredményeken, de a vastagabb kullancs esetén kisebb térfogati növekedés tapasztalható a gyanta zsugorodása következtében. 

A deformált konfigurációkat különböző excentricitási értékekhez mutatja a 6. ábra félmetszet alkalmazásával a d/D=0,3 és v/D=0,5 geometria esetén. A deformált alakokból látszik, hogy az excentricitás növelésével az ellipszoid geometria kezd egyre jobban eltorzulni. 

A fent közölt numerikus számítások eredményei a 10%-os gyanta zsugorodáshoz tartoznak. Annak érdekében, hogy átfogóbb képet kapjunk arról, hogy a kullancsot övező anyag térfogatváltozása miképpen hat a kullancs testére, azaz annak térfogatváltozására kiszámítottuk egy referencia kullancsméret (d/D=0,3, v/D=0,5 és t=0) esetén a kullancsot beágyazó anyag térfogatváltozása és a kullancs térfogatváltozása közötti összefüggést mind tágulás, mind zsugorodás esetére a ±16% fajlagos térfogatváltozási tartományban. A kapott eredményt a 7. ábra mutatja. Az eredményből láthatjuk, hogy amennyiben a kullancsot beágyazó anyag térfogata tágul, akkor a kullancs térfogata csökken. Ennél a referencia modellnél -10%-os előírt térfogatváltozáshoz +19,5%-os kullancs térfogatváltozás tartozik, míg előírt +10%-os esetben -12,6%-os térfogatváltozás adódik. Fontos kihangsúlyozni, hogy a víz fagyása megközelítőleg 10%-os térfogatnövekedéssel jár. Ha gyanta helyett vizet használnánk és annak fagyását tudnánk biztosítani, akkor a kullancs összenyomódna, ami éppenséggel az elkerülendő deformációs mechanizmus, hiszen így fertőzést juthatna az emberi szervezetbe.  A térfogatváltozások közötti összefüggés ebben a tartományban is kismértékű nemlinearitást mutat. 

A kullancsot körülvevő közegre előírt térfogati alakváltozásokhoz tartozó deformált konfigurációkat a 8. ábra mutatja a teljes geometria félmetszeti ábrázolásában. Amennyiben a kullancsot beágyazó anyag térfogata a megszilárdulás során csökken (8/a ábrán a sárga tartomány), azaz zsugorodik, akkor az a kullancstest térfogatának növekedését eredményezi (szürke tartomány). Ez az az eset ami egy UV fényre szilárduló gyanta esetében valósul meg. Ezt a fajta kullancs rögzítés módot biztonságosnak tartjuk, hiszen a kullancs összenyomásának elkerülésével jelentősen csökkenthető eltávolítással járó fertőződés esélye. Ha a kullancsot körülvevő közeg a megszilárdulása során tágul ( 8/b. ábrán a kék tartomány) - például a víz fagyása során - akkor a kullancs teste összenyomódik (szürke tartomány). Ez egy kerülendő eset, hiszen a kullancs testének összenyomódásával - hasonlóan egy fecskendő összenyomásához -  fertőzés kerülhet az emberi szervezetbe.

8. ábra. a közegre előírt 10%-os térfogati zsugorodás hatására kialakuló deformáció a teljes vizsgált térfogaton (8/a) , valamint a közegre előírt 10%-os térfogati tágulás esetén kapott deformáció a teljes vizsgált térfogaton (8/b). 

A kullancsot körülvevő gyanta esetén a számításaink során a bőrrel érintkező alsó lap esetén, valamint a felső lap esetén is szabad elmozdulást biztosítottunk a végeselemes modellben. A következőkben bemutatjuk az eredményeket a másik határhelyzetben is, amikor mind az alsó, mind a felső lapok axiális irányú elmozdulása gátolt. Ebben az esetben azt várjuk, hogy a gyanta zsugorodása következtében nagyobb térfogati tágulás jelentkezik a kullancson. A számítási eredményeket a d/D=0,3, v/D=0,5  esetben közöljük a 9. ábrán. A megoldásokból jól kivehető, hogy amennyiben az alsó és felső lapok axiális (a cső tengelye) irányú mozgásokat lekötjük, akkor lényegesen nagyobb a kullancs térfogatának növekedése, ami összhangban van a kezdeti hipotézisünkkel. A vizsgált referencia modell esetén a gyanta -10%-os zsugorodása esetén +59,92% térfogatnövekedést kaptunk (+18,25% helyett), ha az alsó és felső lap mozgását gátoltuk. Mindezek alapján arra a következtetésre jutunk, hogy a szimulációs modell megalkotásában a biztonság javára döntünk, ha a henger alsó és felső lapjának a mozgását nem gátoljuk és szabadon deformálódhatnak. Ha ebben az esetben is a kullancs térfogatának növekedése tapasztalható, akkor minden bizonnyal abban az esetben is pozitív relatív térfogatváltozást kapnánk, ha a gyantával kapcsolatban lévő bőrfelszín összetette mechanikai modelljét építenénk be. Emiatt a vizsgált jelenség kvalitatív elemzéséhez az általunk épített mechanikai modell peremfeltételeit elfogadjuk. 

Összefoglalás

Jelen kézirat egy új fejlesztésű fotopolimer alapú ektoparazita eltávolító eszköz mechanikai modellezését mutatja be. Összetett végeselemes 3D modellt javasoltunk, aminek segítségével lehetőségünk nyílik arra, hogy az alkalmazott műgyanta kikeményítése során a zsugorodásnak a kullancsra gyakorolt hatását részletesen elemezzük. Számos különböző konfiguráció esetén kiszámítottuk a kullancs térfogatváltozását és arra a következtetésre jutottunk, hogy az új eljárás alkalmazása során nem várható olyan eset, amikor a kullancs térfogata csökkenne. Az új fejlesztésű eszköz biztonságosságának megítélése szempontjából ez kulcsfontosságú következtetés. Az összetett geometria és peremfeltételek miatt, egyszerűsített mechanikai modell megalkotására nem volt lehetőség, mindenképpen végeselemes modell megalkotása volt szükséges a nagy deformációk okozta geometria nemlinearitások figyelembevételével. Kiegészítő eredményként számítást közöltünk arra az esetre is, ha a kullancsot körülölelő anyag – ellentétben a műgyantával – térfogatilag tágul, mint például a víz a fagyása során. 

Köszönetnyilvánítás

Szerzők köszönetüket fejezi ki a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatalnak, valamint a Labsolver Innovációs és Technológiai Kft-nek a 2021-1.1.4-GYORSÍTÓSÁV projekthez nyújtott támogatásért. Szerzők köszönetüket fejezik ki az NKFIH FK 142457 projekt keretében kapott támogatásért. 

Irodalomjegyzék

1. Gombos A. Method and device for removing an ectoparasite from the skin, European Patent Office EP3968864A1.

2. Gombos A. Eljárás és eszköz ektoparazita bőrből való eltávolítására, Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala.

3. Gombos A. Method and device for removing an ectoparasite from the skin, United State Patent Application US 20220183720A1.

4. Hughes T.J.R. The Finite Element Method: Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis. Dover Publications. 2000.

5. de Borst R., Crisfield M.A., Remmers J.J.C., Verhoosel C.V. Non‐Linear Finite Element Analysis of Solids and Structures. Wiley. 2012.

6. Gent A. N. Ont he relation between indentation hardness and Young’s modulus. Transactions of the Institution of the Rubber Industry. 1985;34: 46-57.

7. Pandini S, Pegoretti A. Time, Temperature, and Strain Effects on Viscoelastic Poisson’s Ratio of Epoxy Resins. Polymer Engineering and Science. 2008;48(7):1434-1441.

8. Kovacs J.G., Kortelyesi G., Kovacs N.K., Suplicz A. Evaluation of measured and calculated thermal parameters of a photopolymer. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2011;38:863-867.

9. Nakamura K. Photopolymers: Photoresist Materials, Processes, and Applications (Optics and Photonics). CRC Press. 2014.

10. Izdebska-Podsiadły J. Polymers for 3D Printing. Elsevier. 2022.

11. Dassault Systemes. Abaqus version 2022. https://www.3ds.com/products/simulia/abaqus.