Nowoczesne endoprotezy biodrowe i kolanowe, stenty czy implanty stomatologiczne coraz częściej wykonywane są z trwałych biomateriałów przyjaznych organizmowi człowieka i środowisku, umożliwiających podanie leków już podczas implantacji. Powinny być tak zaprojektowane, aby mogły pełnić swoją funkcję jak najdłużej, dziś mówi się nawet o okresie 20–25 lat. Badania nad materiałami najnowszej generacji stosowanymi w implantologii prowadzone są w Zakładzie Biomateriałów Instytutu Nauki o MateriałachUniwersytetu Śląskiego. Jedno z rozwiązań zaproponowanych przez dr Bożenę Łosiewicz, dr. Grzegorza Dercza oraz mgr Magdalenę Szklarską zostało objęte ochroną patentową (zgłoszenie patentowe nr P.407556; decyzja o udzieleniu patentu z dnia 05. 12. 2017 roku).
Materiał opracowany przez naukowców, z którego w przyszłości będzie można tworzyć implanty medyczne, powstał na bazie stopu tytanu z biozgodnym pierwiastkiem w postaci molibdenu. Na jego powierzchni natomiast wydzielić można trzy warstwy, z których każda pełni określoną funkcję: pierwsza w formie nanometrycznej warstwy TiO2 przylegającej bezpośrednio do podłoża – gwarantująca odporność korozyjną, druga w postaci nanometrycznej międzywarstwy ZnO – związana z zastosowaną metodą oraz trzecia zewnętrzna warstwa z biopolimeru – umożliwiająca aplikację leków w ciele pacjenta poddanego zabiegowi implantacji.
– Podstawowym elementem zaprojektowanego przez nas materiału jest stop tytanu. Dzięki temu zbudowany z niego implant będzie lekki oraz odporny na korozję. Co więcej, przy relatywnie dobrych właściwościach wytrzymałościowych pozostaje plastyczny. Jest to ważne, ponieważ implanty medyczne mają różne kształty – mówi dr Bożena Łosiewicz.
Dr Grzegorz Dercz wyjaśnia natomiast konieczność modyfikacji składu chemicznego wykorzystywanych dotychczas stopów tytanu w implantologii. – W najczęściej stosowanych tworzywach występują pierwiastki toksyczne, takie jak nikiel czy aluminium, które są kancerogenne, mogą powodować alergie czy prowadzić do choroby Alzheimera. W związku z tym naukowcy szukają nowych rozwiązań, które pozwolą zastąpić szkodliwe elementy biozgodnymi pierwiastkami stopowymi, takimi jak: cyrkon, niob czy molibden – mówi naukowiec. Jak dodaje, skład stopu musi być tak zaprojektowany, aby materiał nadal wykazywał efekt pamięci kształtu oraz satysfakcjonujące właściwości mechaniczne, a także odporność korozyjną. Każda z tych cech jest niezwykle istotna przy tworzeniu implantów medycznych. Naukowcy poszukują bowiem rozwiązań, które pozwolą tworzyć elementy stosowane przy wszczepach nie tylko krótkoterminowych, lecz również długoterminowych. Zgodnie z optymistycznym scenariuszem implanty wykonane z opatentowanego materiału mogłyby pełnić swoją funkcję nawet ponad 20 lat, co ma szczególne znaczenie dla osób młodych poddawanych zabiegowi implantacji.
Jednym z elementów, który znakomicie wpływa na trwałość zaprojektowanego materiału, jest stabilna, przylegająca do podłoża pasywna warstwa tlenkowa chroniąca go przed szkodliwym wpływem środowiska ludzkiego ciała. – Stopy wykonane na bazie tytanu cechuje duże powinowactwo do tlenu. Jest to materiał samopasywujący się. Oznacza to, że na jego powierzchni samoistnie wytwarza się i odnawia warstwa ochronna – tłumaczy mgr Magdalena Szklarska. Dzięki temu jony metalu, jako produkty korozji elektrochemicznej, nie uwolnią się do organizmu człowieka. W wyniku tego procesu mogłoby dojść nie tylko do metalozy, a więc oddziaływania jonów metali na komórki pacjenta, lecz również do obluzowania implantu, a w konsekwencji do jego odrzucenia. – Warstwa ochronna implantu zbudowanego z naszego materiału jest tak dobra, że jeśli chirurg podczas aplikacji zarysowałby którykolwiek element, już w ciągu jednej minuty uszkodzenie mechaniczne samoistnie pokryje się tlenkiem tytanu. Ta cecha odpowiada również za satysfakcjonującą odporność korozyjną materiału – dodaje dr Bożena Łosiewicz.
Na tak zaprojektowany materiał nanoszone są także polimery mogące pełnić szereg funkcji, w tym opatrunku, biokompatybilnej powłoki oraz systemu służącego stopniowemu uwalnianiu leków do organizmu pacjenta. Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego zastosowali naturalne polimery, tj. hialuronian oraz alginian. Dzięki temu m.in. będzie można w sposób inteligentny dostarczać wraz z implantem leki przeciwzapalne, bakteriobójcze, przyspieszające regenerację organizmu pacjenta i gojenie się ran. Leki działają więc tam, gdzie miała miejsce interwencja medyczna. Odchodząc od suplementacji ustnej, poprawia się komfort pacjenta, który nie musi pamiętać o zażywaniu kolejnych farmaceutyków. Co istotne, zwiększa się tym samym szansa na to, że implant się przyjmie.
– Poszukiwaliśmy skutecznego sposobu nanoszenia warstwy naturalnego polimeru w postaci hialuronianu lub alginianu. Zdecydowaliśmy się zastosować tzw. metodę elektroforety cznego osadzania. Im jednak lepszą powierzchnię korozyjną uzyskaliśmy, tym gorsze okazywało się przewodnictwo elektryczne materiału. W związku z tym konieczne było nałożenie kolejnej, trzeciej międzywarstwy, tym razem tlenku cynku, dzięki której wydajność procesu osadzania interesującej nas powłoki znacznie wzrosła – tłumaczy mgr Magdalena Szklarska. Zaletą opatentowanej metody jest również niski koszt otrzymywania takich materiałów i łatwość w obsłudze aparatury. To właśnie sposób osadzania bioaktywnej i biodegradowalnej powłoki z polimeru naturalnego na elemencie ze stopu tytanu został objęty ochroną patentową.
Kombinacja trzech warstw na tytanowej bazie dała satysfakcjonujące rezultaty. Naukowcy otrzymali bowiem nowoczesny, inteligentny, hybrydowy materiał, z którego wykonać będzie można elementy o dowolnym kształcie, gładkiej czy porowatej powierzchni i naniesionych warstwach o pożądanej grubości. Takie implanty mają szerokie medyczne zastosowanie. Mogą to być m.in. endoprotezy kolanowe i biodrowe, druty ortodontyczne, wkręty kostne, płytki, stenty czy elementy stomatologiczne.
Naukowcy prowadzą już badania hemolityczne, które sprawdzać mają, czy implanty zbudowane z otrzymanego opatentowaną metodą materiału nie zniszczą elementów morfotycznych krwi człowieka. Następnie prowadzona będzie hodowla komórek macierzystych na powierzchni materiału, by dokładniej zbadać jego biokompatybilność. Jeśli wyniki badań okażą się satysfakcjonujące, w ciągu kilku lat powstaną pierwsze implanty z hybrydowego materiału.
Małgorzata Kłoskowicz | Sekcja Prasowa UŚ
fot. Sekcja Prasowa UŚ
