Nazywany był tytanem tytanu. Ta efektowna gra słów w żadnej mierze nie była na wyrost ani też nie wzięła się znikąd. Odkrywszy niezwykłe właściwości tego metalu, szwedzki ortopeda Per-Ingvar Brånemark wykroczył daleko poza granice swojej profesji, kładąc tym samym fundamenty pod współczesną implantologię. Przez wieki w kościach szczęk umieszczano niemal wszystko: kawałki kwarców, bursztynów, morskich muszli, żelazo, kość słoniową, a nawet… drewno. Nic jednak nie mogło się równać z tytanem.

Oczywiście, nie obyło się bez przypadku. Brånemarka w największym stopniu ciekawiła fizjologia przepływu krwi. Swoje eksperymenty przeprowadzał na żywych królikach, którym do stawu biodrowego wszczepiał urządzenie optyczne, pozwalające na obserwację mikrokrążenia w tkance kostnej. Po zakończeniu badań taką komorę badawczą usuwał. Samo w sobie nie było to niczym nadzwyczajnym. Podobną technikę stosowało wówczas wielu. Jego zaintrygowało jednak to, że ilekroć umieszczał cylinder z tytanową obudową, kość zrastała się z powierzchnią takiej konstrukcji. Nie mógł tego tak zostawić. Intuicja podpowiadała mu, że odkryte właśnie przezeń zjawisko osteointegracji, wykorzystać przecież można nie tylko w ortopedii. Pierwsze implanty dentystyczne wykonane z czystego tytanu profesor Brånemark założył w 1965 roku i od tamtej pory nie wynaleziono lepszego rozwiązania problemu braków w uzębieniu.

– Taki implant to nic innego jak wkręcona do kości żuchwy lub szczęki śrubka, spełniająca funkcję utraconego korzenia zęba. Materiał, z którego jest zrobiona, musi mieć bardzo wysoką wytrzymałość oraz nie powodować skutków szkodliwych dla ludzkiego organizmu. Implant nie może bowiem zbyt szybko korodować w zetknięciu z żywą tkanką ani wywoływać reakcji zapalnych. Nie może być także dla organizmu silnie toksyczny ani rakotwórczy – dr Bożena Łosiewicz z Laboratorium Badań Korozyjnych Uniwersytetu Śląskiego precyzyjnie wylicza wymagania, jakie stawiane są medycznym zamiennikom, obecnym dziś już również w okulistyce, laryngologii czy kardiologii.

Korozja w 48 godzin

Po to żeby tym kryteriom sprostać, w badaniach in vitro symuluje się środowisko ludzkiego organizmu, testując w nim materiał implantacyjny. To płyny ustrojowe: krew, osocze, mocznik, które przewodzą prąd elektryczny, w największym stopniu przyczyniają się do procesów korozyjnych. Ale nie tylko tam do nich dochodzi. Do chorzowskiej placówki trafiają również materiały przemysłowe pokryte antykorozyjnymi warstwami metalicznymi. Zdarzają się i tak nietypowe zlecenia, jak choćby… zderzak wagonu kolejowego, który ważył ponad 120 kilogramów. Ale ze skalą nano też sobie świetnie radzą. Testom poddawane są również: karoserie samochodowe pokryte powłokami lakierniczymi, łączniki budowlane, jak gwoździe czy gwinty, polakierowane stelaże meblowe, szyny kolejowe bądź tramwajowe… Instytut Nauki o Materiałach, którego Laboratorium Badań Korozyjnych jest częścią, to jedyna tego typu jednostka uniwersytecka w skali ogólnopolskiej.

– Zajmujemy się szeroko pojętą inżynierią materiałową, a więc nie tylko badaniem procesów stopniowego niszczenia, zachodzących między powierzchnią materiałów a otaczającym środowiskiem, ale również zapobieganiem tym procesom poprzez opracowanie całkiem nowych materiałów, których właściwości wskazują na możliwość wykorzystania w implantologii – wyjaśnia dr Łosiewicz i jakby na dowód pokazuje opatentowane przez śląskich naukowców specjalne klamry stosowane do leczenia złamań kości twarzoczaszki, w produkcji których zastosowano stopy z pamięcią kształtu. Po zrośnięciu kości klamry wyjęto, po czym metodami badawczymi określano stopień ich korozji na skutek kontaktu np. ze śliną.

Szacowanie odbywa się w specjalnej komorze solnej. Sama metoda, na którą laboratorium cztery lata temu dostało akredytację, nie jest bez znaczenia. Rozpylenie roztworu zasolonej wody morskiej do postaci mgły powoduje bowiem stukrotne zwiększenie agresywności czynnika korozyjnego. Dzięki temu nie trzeba czekać kilku lat na to, by zobaczyć pierwsze skutki degradacji materiału. Wyższe stężenie wraz z temperaturą podniesioną do 35 stopni Celsjusza przyspieszają ten proces do ledwie 48 godzin. Takie badanie pozwala też na stwierdzenie, kiedy nastąpi korozja. Określa się to poprzez analizę szybkości ubytku masy, czyli jak dużo materiału ubędzie w danym przedziale czasowym, np. o ile w ciągu roku „schudnie” fragment stali szynowej. W wyniku takich eksperymentów można ocenić również, czy zniszczenia korozyjne są rozłożone równomiernie na całości materiału, czy też ich ogniska mają charakter lokalny, dotykają tylko konkretnego punktu. Bada się także gęstość wżerów na powierzchni.

– To wszystko służy producentom do polepszenia jakości. W przypadku materiałów medycznych jest to o tyle istotne, że mają one z reguły długi okres użytkowania i korozja byłaby ze wszech miar niewskazana. Standardowo żywotność wszczepów długoterminowych, a więc głównie dentystycznych, szacuje się na 40 lat, natomiast krótkoterminowych – do 2 lat.

Nie ulega wątpliwości, że to właśnie biomateriały mają dla badaczy priorytetowe znaczenie. Postęp cywilizacyjny, oprócz wynalazków, innowacji, technologii, przyniósł też zmianę stylu życia. Tak w jej wyniku, jak i na skutek starzenia się społeczeństwa, schorzenia układu kostno-mięśniowego stały się nie lada problemem. Nie bez kozery pierwsze dziesięciolecie tego wieku zostało uznane właśnie za dekadę kości i stawów. Namacalnym efektem tego zjawiska jest gigantyczne zapotrzebowanie na materiały imitujące utracone bądź zniekształcone chorobą części ciała. Gdzie indziej zatem, jak nie w takim laboratorium, dopisywać kolejny rozdział tej tytanowej rewolucji sprzed ponad półwiecza?

Tytan i jego stopy

O tym, że to metale mają najbardziej zbliżone parametry do ludzkich kości, a co za tym idzie są wręcz niezastąpione przy tworzeniu implantów, wiadomo od dawna. Ceramika jest zbyt krucha, polimery charakteryzują się znacznie gorszymi właściwościami wytrzymałościowymi, z kolei stal implantacyjna nie jest tak lekka. To, że właśnie tytan spośród wszystkich metali jest zdecydowanym liderem, też nie jest żadną tajemnicą. Wśród jego kryteriów jakościowych wyróżnia się wyjątkowa twardość, trwałość i biokompatybilność, a tym samym neutralność dla organizmu – nie alergizuje i nie jest silnie toksyczny. Równie istotne są jego wytrzymałość mechaniczna i odporność na korozję. Jednym słowem: ideał. Sęk w tym, że tylko w czystej postaci. Wszelkie próby poszerzania wachlarza jego możliwości implantacyjnych wymagają również sięgania po stopy tytanu z innymi metalami. I choć można dzięki temu sprostać najtrudniejszym medycznym wyzwaniom, to nie pozostaje to już niestety bez wpływu na organizm. Daleko nie szukając, moja rozmówczyni sięga po używane w angioplastyce stenty wieńcowe, których zadaniem jest rozszerzenie żyły. Wykonuje się je z tytanu, ale dzięki domieszce niklu możliwe jest wywołanie efektu pamięci kształtu.

– Stenty samorozprężalne, czyli dające ten efekt, początkowo mają małą średnicę, umożliwiając tym samym wprowadzenie ich w miejsce zmienione chorobowo. Po dotarciu do zwężenia, pod wpływem temperatury ciała następuje rozprężenie stentu, co ułatwia z kolei poszerzenie światła tętnic i przywrócenie właściwego przepływu krwi. Ta metoda zmniejsza ryzyko restenozy, czyli ponownego zwężenia tętnic. Obecnie takie stenty są jednymi z najpowszechniej stosowanych w medycynie – zaznacza, napomykając również o drugiej stronie medalu.

Nikiel bowiem nie pozostawia obojętnym organizmu na swoją w nim obecność. Jest jednym z silniejszych kancerogenów, które powodując mutację materiału genetycznego, przyczyniają się do rozwoju chorób nowotworowych. Aby jednak nie przekreślać całkowicie potencjału tkwiącego w stopach tytanu z niklem, a także wanadem czy aluminium, naukowcy uciekają się do przeróżnych sztuczek, zabezpieczających nadmierne uwalnianie jonów tych metali. To skutek ścierania się i korozji biomateriału.

Menażeria na powłoki

Niekorzystne oddziaływanie jonów, prowadzące m.in. do metalozy, alergii, a nawet choroby Alzheimera, można zmodyfikować, stosując np. specjalne bioaktywne powłoki hybrydowe na bazie polimerów naturalnych, którymi powleka się tytanowy implant. Co ważne, z racji materiału pochodzenia są one biodegradowalne, co oznacza, że po spełnieniu swojej funkcji rozpadają się, i bioresorbowalne, czyli wchłaniane przez organizm. Otrzymuje się je drogą elektrochemiczną z przeróżnych źródeł, m.in. z alginianu z alg morskich, mającego właściwości immunogenne, hialuronianu, uzyskiwanego z grzebieni kogutów, biorącego udział w gojeniu ran, czy z chitozanu, którego źródłem są najczęściej skorupy czerwonych krabów oraz krewetki. Ten ostatni, odpowiednio przetworzony i nanoszony w postaci przezroczystego filmu, działa przeciwbakteryjnie, przeciwgrzybiczo, promuje regenerację kości. Materiałowym hitem w ostatnim czasie stał się też kolagen.

– Jeśliby zorganizować plebiscyt na najważniejsze białko w naszym organizmie, to bezapelacyjnym zwycięzcą będzie właśnie kolagen. Stanowi on tam blisko 1/3 wszystkich białek. Najwięcej jest go w więzadłach, kościach, ale występuje również w rogówce oka – precyzuje dr Bożena Łosiewicz.

Dodaje przy tym, że w inżynierii materiałowej punktem wyjścia do zastosowania tego czy innego surowca jest zapotrzebowanie na jego właściwości. Dopiero w następstwie takiego rozeznania przystępuje się do produkcji. W jej trakcie trzeba pamiętać nie tylko o tym, że najbardziej pożądane są powłoki porowate, bo wówczas implant będzie umiejętnie się wgajać. Wielkość porów na powierzchni też ma niebagatelne znaczenie. By produkt nie okazał się dysfunkcjonalny, naukowcy – projektując odpowiednią jego strukturę, kształt, wielkość – muszą się wsłuchiwać w głos środowiska medycznego i szybko reagować na wskazówki stamtąd płynące. I tak np. przy opracowywaniu implantu stawu biodrowego, należy mieć na uwadze dynamiczne obciążenia, które musi on znosić. Z kolei najczęstsze uwagi od stomatologów dotyczą słabej adhezji. Akurat w tym przypadku, udało się znacząco wspomóc ten proces dzięki zastosowaniu powłoki kolagenowej. O tym, jak funkcjonalny okazał się ów polimer, pokazał też inny zrealizowany w laboratorium UŚ pomysł. Postanowiono go bowiem wykorzystać jako główne ogniwo w systemie kontrolowanego uwalniania leku. Za każdym razem po wszczepie implant zostaje rozpoznany jako ciało obce, do zwalczania którego organizm wytwarza przeciwciała. Te z kolei wchodzą w reakcje z materiałem znajdującym się na implancie, dochodzi do stanu zapalnego, pojawienie się odrzutu wydaje się tylko kwestią czasu.

– Jesteśmy w stanie temu zapobiec, nasycając powłokę antybiotykiem o szerokim spektrum działania. Implant stanowi swego rodzaju platformę, którą dostarczamy lekarstwo. Współczesne technologie pozwalają nam niejako zaprogramować dawkę, porę dnia oraz szybkość jej podania. Odpowiedni specyfik uwalniany jest w miejscu wszczepu, dzięki czemu możemy uniknąć zakażenia i ograniczyć suplementację doustną leków – tłumaczy dr Łosiewicz, prezentując przy okazji laury, jakie za ten pomysł przywiozła wraz ze swoimi podopiecznymi z Międzynarodowej Warszawskiej Wystawy Wynalazków IWIS. Nagrodzono również powłokę z amorficznego fosforanu wapnia, która z kolei neutralizuje kwasy produkowane przez bakterie płytki nazębnej – przyczynia się tym samym do remineralizacji szkliwa oraz zmniejszenia jego erozji.

W Instytucie nie ustają w dalszych poszukiwaniach alternatyw dla obecnie stosowanych zamienników. Przyszłość należy do biomateriałów, które przy zachowaniu swoich właściwości użytkowych jeszcze bardziej ograniczą swoją toksyczność. Ich osnową w dalszym ciągu będzie tytan, lecz szkodliwe pierwiastki zostaną zastąpione tantalem, niobem, cyrkonem bądź molibdenem. Prace nad produktami najnowszej generacji wrą i być może tym razem właśnie za sprawą śląskich, a nie szwedzkich naukowców będziemy świadkami kolejnego przełomu w tej dziedzinie. 