Części zamienne dla ludzi

Prof. Konstanty Skalski i dr Anną Makuch pracują w IMP nad tworzeniem doskonalszych implantów. Jednymi z najważniejszych biomateriałów na implanty są stopy tytanu. – Jego gęstość jest prawie dwukrotnie mniejsza od stali, jest lekki, odpowiednio sprężysty i charakteryzuje się bardzo wysoką biozgodnością, co minimalizuje ryzyko odrzucenia po wszczepieniu – tłumaczy prof. Skalski. – Tytan bardzo dobrze współpracuje z tkanką kostną, z uwagi na to, że ma niewiele większą niż ona sprężystość. Tytanowy implant będzie zatem „brał na siebie” większość obciążeń, jakim podlega kość. Ta nie może być do końca bierna, bowiem podczas obciążeń zachodzi w niej szereg procesów fizykochemicznych. Ścianki kości i szpik oddziałują na siebie, uwalniając jony wapnia niezbędne dla organizmu.

Stop tytanu na implanty czy inne elementy służące do stabilizacji kości, jak też instrumentalia medyczne musi mieć odpowiednią strukturę wewnętrzną – wielkość ziarna i jego orientację. Od niej zależą właściwości materiału. Znaczący wpływ na strukturę ma zaś prędkość odkształcania. Prof. Skalski uznał, że najlepszy efekt rozdrabniania tytanu osiągnie się przy dużej prędkości odkształcania i podwyższonej temperaturze. Obecnie w IMP kończą się prace nad technologią wytwarzania odpowiednich struktur tytanu. Zostaną one wykorzystane w firmie ChM, która od lat zajmuje się produkcją implantów, narzędzi medycznych oraz elementów służących do stabilizacji kości.

Mikrocja to wada polegająca na niewykształceniu się małżowiny usznej. Zwykła proteza zapewnia tylko częściowo komfort estetyczny pacjenta i nie odtwarza funkcji ucha zewnętrznego. Operacja rekonstrukcji małżowiny z własnej chrząstki żebrowej pacjenta jest bardzo złożona i może być wykonywana tylko w młodym wieku. Idealnym rozwiązaniem mogą być scaffoldy. – To rusztowania, do których zostają wprowadzone komórki macierzyste, tworzące potem tkankę kostną, chrząstkę, konkretny organ ciała – objaśnia dr A. Makuch.

Z jej inicjatywy we współpracy z prof. Henrykiem Skarżyńskim ze Światowego Centrum Słuchu podjęto w IMP badania dotyczące projektowania takich konstrukcji. Wzorowane są na budowie… koralowców. Martwe koralowce to wapienna struktura pełna mikroporów, idealna do hodowli naturalnych tkanek. Dr Makuch stara się stworzyć sztuczne konstrukcje, naśladujące strukturę obumarłej rafy.

– Naturalne węglany wapnia można zastąpić syntetycznymi – wyjaśnia prof. Skalski. – Istotne są wielkość otworów, ich rozkład, położenie jednych względem drugich oraz materiał, z jakiego zostaną wykonane struktury. Musi być biozgodny, czyli przyjazny komórkom, które się będą na nim osadzać.

– Kluczowe znacznie ma wielkość otworów – wyjaśnia dr Makuch. – Przy zbyt dużych będą się tworzyły puste miejsca, przy zbyt małych nie będzie swobodnego przepływy. Problem polega też na tym, aby wyhodować strukturę odpowiedniej wielkości, która przejmie funkcję organu, który ma zastąpić. Jeśli chodzi o kości, takie próby zakończyły się powodzeniem, natomiast w przypadku chrząstki, jaką jest małżowina uszna, jeszcze nie.

Na dodatek małżowina uszna jest niejednorodna, z punktu widzenia swoich właściwości. Materiał na nią powinien być wytrzymały jak tytan, sztywny tam, gdzie jest to wymagane, miękki oraz elastyczny gdzie indziej i niepodlegający trwałym odkształceniom.

Ucho wprawdzie jest organem inicjującym, ale badania w IMP dotyczą w ogóle konstrukcji scaffoldów, a dodatkową trudnością jest to, żeby w niektórych przypadkach były one resorbowalne.

– Technologia do wytwarzania tych rusztowań jest już znana: bioplotery, działające jak drukarki 3D, metoda elektroprzędzenia i termoutwardzania mikrowłókien wiązką laserową. Każda z nich ma jednak swoje ograniczenia – tłumaczy dr Makuch. Naukowcom z IMP udało się opracować oryginalną konstrukcję rusztowań i wykonać pierwsze prototypy.

Nawet gdy implanty świetnie odwzorowują biomateriał, to jednak obluzowują się i nie integrują się tak jak powinny. Badania nad strukturami tkanek kostnych zaczęto jak gdyby od dachu: najpierw implanty, potem materiał na nie, a tymczasem najistotniejsze są kości. Prof. Skalski będzie je badał dzięki grantowi NCN. Elementy kostne do badań – preparaty, usuwane pacjentom, którym wszczepia się endoprotezy – dostarcza Wojskowy Instytut Medyczny.

– Kość to trudny materiał do badań: niejednorodny, porowaty i anizotropowy, lepko-sprężysty. Chcemy sformułować równania konstytutywne dla kości, tj. zależności wynikające z obciążeń oraz nieustannych ich reakcji. Kości badamy mikrotomografią komputerową, następnie właściwości strukturalne tkanki penetratorem, następnie weryfikujemy parametry materiałowe i podajemy te struktury obciążeniu. W badaniach eksperymentalnych polowych stanów naprężeń przetwarzamy obrazy cyfrowe do trójwymiarowych, by potem móc te dane zanalizować i konwertować do równania konstytutywnego – mówi prof. Skalski.

Badania zespołu z IMP dotyczą nie tylko tego, jak kość będzie reagować na implant, ale także rehabilitacji oraz kolejnych faz rozwoju samej choroby, co może dać odpowiedź na pytanie, jak leczyć. Osteoporoza nie dotyka tylko starszych ludzi, cierpią na nią także i młodzi, stała się chorobą cywilizacyjną. Patologicznie zmienione kości zastępuje się implantami, które muszą być wytworzone z odpowiednich materiałów, by służyły pacjentom długie lata.