Szkło. Otacza nas zewsząd. Od naczyń kuchennych, przez soczewki okularów, ekrany telefonów, po szyby okien i samochodów. Przeciętny użytkownik, zapytany o właściwości szkieł, wskaże z pewnością kruchość. W rzeczywistości każde wymienione zastosowanie wymaga od szkieł wielu specyficznych właściwości, czy to optycznych, czy mechanicznych, a więc i opracowania odpowiedniego składu chemicznego i procesu wytwarzania. Te najprostsze, wyjęte z życia codziennego przykłady w żadnym wypadku nie wyczerpują możliwości aplikacyjnych szkieł. Czy słyszeliście o szkłach bioaktywnych? Szkłach wykorzystywanych w leczeniu ubytków kostnych i inżynierii tkankowej? Doborem i badaniem właściwości właśnie takich materiałów zajmowałam się podczas pracy w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych.

Pierwsze szkło bioaktywne

Chcąc opowiedzieć historię szkieł bioaktywnych, musimy się cofnąć do roku 1967. Profesor Larry L. Hench z powodzeniem bada wówczas szkła znajdujące zastosowanie w elektronice. W trakcie podróży na jedną z konferencji naukowych przypadkiem nawiązuje rozmowę z pułkownikiem powracającym z wojny w Wietnamie. Hench opowiada mu, czym się zajmuje – szkłami wanadowo-fosforanowymi odpornymi na wysoką energię promieniowania. Zainteresowany tym pułkownik pyta, czy jest też w stanie otrzymać materiał odporny na środowisko organizmu człowieka. Skąd to pytanie? Pułkownik w czasie służby był świadkiem bardzo wielu amputacji kończyn, których przyczyną było odrzucanie przez organizm implantów wykonanych z metali i z tworzyw sztucznych.

Po powrocie z konferencji, zaintrygowany pytaniem towarzysza podróży Hench postanawia przedyskutować problem odrzucania implantów ze znajomymi lekarzami (Ray Splinter, Ted Greenlee, Bill Allen). Wspólnie dochodzą do wniosku, że skoro organizm nie toleruje implantów wytworzonych z obcych dlań materiałów, rozwiązaniem powinno być zastosowanie materiału, który dla organizmu będzie „znany”. Stwierdzają, że skoro znaczącym budulcem kości jest hydroksyapatyt, uwodniony fosforan wapnia, to jeśli implant zostanie wytworzony z materiału mającego zdolność do tworzenia na swojej powierzchni wspomnianego hydroksyapatytu, pojawi się też możliwość bezpośredniego połączenia między implantem a tkanką kostną, a organizm nie odrzuci implantu jako „ciała obcego”.

W tym momencie pojawia się jednak pytanie: w jaki sposób owa warstwa miałaby się wytworzyć na materiale? W zaproponowaniu rozwiązania tej kwestii dużą rolę odgrywało na pewno ogromne doświadczenie Hencha w pracy ze szkłami i znajomość kontroli ich właściwości. Pozwoliło to wysunąć hipotezę, iż odpowiedni dobór składu chemicznego szkła może spowodować, że będzie się ono powoli rozpuszczało w środowisku organizmu, wymieniając jednocześnie jony z płynami fizjologicznymi, a to stopniowo doprowadzi do wytrącenia się na jego powierzchni kryształów hydroksyapatytu. Henchowi nie pozostawało już nic innego, jak sprawdzenie, czy rozważania te okażą się zgodne z prawdą. I tak też się stało. Hench dowiódł prawdziwość swojej tezy, a w 1971 roku ukazała się publikacja opisująca wyniki badań pierwszego szkła bioaktywnego na bazie krzemionki, zawierającego też tlenki sodu, wapnia i fosforu i znanego dziś jako szkło Hencha, Bioglass® czy ze względu na skład chemiczny – 45S5.

Od proszków do inżynierii tkankowej

Genezą powstania szkła bioaktywnego był problem odrzucania implantów. Ogromnym sukcesem stało się wykazanie bioaktywności, czyli zdolności do tworzenia warstwy hydroksyapatytu na powierzchni szkła, jednak z drugiej strony cały czas miano na uwadze właściwości mechaniczne szkieł, nieodpowiednie do zastosowań przy dużych obciążeniach, a przede wszystkim ich dużą kruchość. W przypadku małych ubytków kostnych szkło Hencha okazało się jednak idealnym rozwiązaniem wspomagającym odbudowę tkanki. Mikrometryczne cząstki szkła są od lat 90. z powodzeniem stosowane do wypełniania ubytków kostnych szczęki spowodowanych chorobami przyzębia i powszechnie wykorzystywane w ortopedii. Jeśli stosujecie pasty do zębów wrażliwych, jest duża szansa, że korzystacie z odbudowujących właściwości bioszkła – szkło Hencha jest stosowane jako składnik pasty do zębów ze zniszczonym szkliwem. Na tym jednak nie koniec. Ze względu na swoją bioaktywność materiały takie są idealnym kandydatem do zastosowań na rusztowania dla inżynierii tkankowej, której celem, w przeciwieństwie do implantologii, nie jest zastąpienie zniszczonego fragmentu tkanki, a jej odbudowanie.

Aby odbudowa taka była możliwa, potrzebne są specjalnie zaprojektowanie rusztowania (ang. scaffolds), które przez pewien czas stanowią podporę dla namnażających się komórek, po czym ulegają w organizmie degradacji, czyli rozpuszczeniu, a ich składniki mogą ulec resorpcji lub zostać wydalone. Do wytwarzania takich rusztowań można wykorzystywać różne materiały: polimery, ceramikę, a nawet metale. Wszystko zależy od rodzaju uszkodzonej tkanki.

Wiedząc już co nieco o niezwykłej właściwości tworzenia się hydroksyapatytu na powierzchni szkieł bioaktywnych, na pewno się domyślacie, że są one intensywne badane jako rusztowania do odbudowy tkanki kostnej. I to właśnie tym tematem zajmowałam się w czasie mojej pracy naukowej w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych.

Potrzeba nowych szkieł

Wbrew pozorom pierwsze szkło bioaktywne oparte na krzemionce, mimo wielu zalet, ze względu na swój skład chemiczny nie jest materiałem idealnym dla inżynierii tkankowej. Okazuje się, że lepiej mogą się tu sprawdzać inne typy szkieł – szkła fosforanowe czy boranowe. Dlaczego? Aby odpowiedzieć na to pytanie, zacznijmy od przedstawienia wymagań, jakie muszą spełniać materiały wykorzystywane w inżynierii tkanki kostnej.

Materiał musi być przede wszystkim biozgodny, przez co rozumiemy brak oddziaływania toksycznego na organizm. Kolejną ważną właściwością jest biodegradowalność i to na poziomie równym szybkości wzrostu nowej tkanki, aby proces regeneracji mógł przebiegać prawidłowo. Bardzo ważne jest też, aby komórki mogły łatwo przylegać do powierzchni materiału, namnażać się na niej, a także różnicować, a więc „przeistaczać” w inne rodzaje komórek. Od wytworzonego już z takiego materiału rusztowania wymaga się natomiast odpowiedniej porowatości, która pozwoli na przepływ substancji odżywczych i prawidłowy wzrost tkanki, a także właściwości mechanicznych porównywalnych z zastępowaną tkanką. Niezmiernie ważna, zwłaszcza z inżynierskiego punktu widzenia, jest też łatwość wytwarzania rusztowania. Mając na uwadze wszystkie te wymagania, spróbujmy wyjaśnić, z czym nie radzi sobie szkło Hencha i jaką receptę mają na to zajmujący się inżynierią tkankową naukowcy.

Istotną wadą pierwszego szkła bioaktywnego jest zbyt długi, trudny w kontroli czas biodegradacji, a co za tym idzie niemożność jego dostosowania do tempa wzrostu tkanki. Z czego to wynika? Wszystkiemu winna jest atomowa budowa szkła krzemionkowego. Jego podstawową jednostką strukturalną jest czworościan krzemionkowy. Czterowartościowy atom krzemu jest związany z czterema atomami tlenu, które to następnie wiążą się z kolejnymi atomami krzemu itd., tworząc ostatecznie ściśle połączoną i niepodatną na degradację sieć. Dodatkowo same wiązania Si-O-Si należą do bardzo stabilnych, co oczywiście nie ułatwia sprawy. Kolejną trudność stanowi proces wytwarzania rusztowań ze szkła krzemionkowego.

I tu znów rolę odgrywają silne wiązania między atomami krzemu i tlenu, które są odpowiedzialne za wysoką temperaturę topienia. W przypadku spiekania – sztandarowej metody zapewniającej odpowiednią porowatość – jest to duży minus, wpływający na dużo mniejszą ekonomiczność procesu. Pomijając kwestie finansowe, szkło Hencha wykazuje też niepożądaną skłonność do krystalizacji w czasie spiekania. Szkło, które charakteryzuje się chaotyczną strukturą, krystalizując porządkuje ją, a to niestety „zabija” reaktywność szkła, a co za tym idzie, zmniejsza jego bioaktywność.

Mając w świadomości unikalną zdolność do bioaktywności bioszkła naukowcy próbują modyfikować jego skład i proponować nowe sposoby wytwarzania rusztowań, a także inne typy szkieł (fosforanowe, boranowe), które dzięki odmiennej strukturze pozwalają na lepszą kontrolę biodegradacji i łatwiejsze wytwarzanie. Dzięki pracy naukowej w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych i ja mogę się pochwalić udziałem w poszukiwaniu i doskonaleniu materiałów dla inżynierii tkankowej.

Testowanie nowego szkła

Wspomniałam już, jakie wymagania musi spełniać materiał, aby mógł znaleźć zastosowanie w regeneracji kości. Czas przejść od teorii do praktyki. Po zaproponowaniu nowego składu chemicznego szkła należało zweryfikować założenia, a przygotowany materiał poddać odpowiednim badaniom.

Zaczynamy od podstaw, a więc scharakteryzowania szkła pod względem takich właściwości, jak gęstość czy temperatura topienia i przejścia w stan szklisty. Kolejnym krokiem było sprawdzenie kontroli biodegradacji materiału poprzez symulację procesu w laboratorium.

Jak to wyglądało? Niewielkie próbki szkła zostały umieszczone w pojemniczkach z roztworem soli fizjologicznej. Chcąc jak najbardziej zbliżyć się do warunków panujących w organizmie, należało zapewnić im też odpowiednią temperaturę, ok. 37°C. Pozostawione próbki powoli się rozpuszczały, a ja – za pomocą pomiarów zmian masy i odczynu pH soli – monitorowałam, jak zachodzi ten proces.

Teraz czas na badania z udziałem komórek. Aby zweryfikować, czy szkło sprzyja wzrostowi komórek i przede wszystkim nie wykazuje działania toksycznego, potrzebne były wyizolowane z organizmu komórki kostne. Najpierw tygodniowa hodowla na powierzchni szkła, potem obserwacje pod mikroskopem fluorescencyjnym i… bardzo satysfakcjonujące rezultaty. Komórki są rozpłaszczone (to świetny znak) i namnażają się. Możemy badać dalej.

Bardzo interesujący jest dla nas proces tworzenia się w środowisku fizjologicznym na powierzchni szkła warstwy hydroksyapatytu. Tu z pomocą przychodzą badania bioaktywności w płynie symulującym osocze krwi. Próbki trafiły do pojemniczków z roztworem, a następnie do specjalnej suszarki laboratoryjnej. Ich inkubacja trwała trzy tygodnie. Po tym czasie zostały wyjęte i poddane obserwacjom pod elektronowym mikroskopem skaningowym. Jeśli obserwujemy maleńkie, przypominające kwiat kalafiora kuleczki, to znaczy, że oglądamy prawidłowe warstwy hydroksyapatytu. I takie też pojawiły się na badanym przeze mnie szkle.

Teraz nie pozostaje nam nic innego niż wnikliwa analiza wyników, optymalizacja właściwości szkła i… dalsze badania.