Biomateriálový výskum napreduje míľovými krokmi

18. jún. 2018 • Medicínske inžinierstvo

Biomateriálový výskum napreduje míľovými krokmi

Rozvoj biomateriálovej vedy a inžinierstva je v dnešnej dobe enormný, vďaka čomu je už možné pacientom pomôcť v naozaj mnohých smeroch. Či už sú to náhrady kĺbov, kostí, srdcových chlopní, ale aj ciev, zubov, kože, dokonca samotných buniek, využitie biomateriálov vo forme umelých náhrad v ľudskom tele je naozaj rozšírené. Na túto tému sme sa rozprávali s Dr. Rer. Nat. Zuzanou Kronekovou a Mgr. Jurajom Kronekom, PhD.

S. CIGÁŇOVÁ: V akých častiach ľudského tela sa už dnes dajú použiť umelé náhrady?

Z. KRONEKOVÁ a J. KRONEK: Biomateriály sú súčasťou biomedicínskych prístrojov, umelých náhrad alebo slúžia dočasne na regeneráciu tkaniva, a to v širokom spektre biomedicínských odvetví. Môžeme ich nájsť napr. ako náhrady kĺbov, kostí, srdcových chlopní, ciev, zubov, kože, ako súčasť krvných náhrad, umelých orgánov a buniek, endoprotéz, biosenzorov alebo elektród na stimuláciu nervového a svalového tkaniva či na regeneráciu tkaniva. Biomateriály sa tiež využívajú na rekonštrukciu oka a ucha ako sú šošovky, rohovky, sietnica alebo ušný bubienok. V neposlednom rade biomateriály tvoria nosiče liečiv. Podľla Wall Street Journal (18. júl 2011) sú v USA najviac používané implantáty ako umelé očné šošovky, tlak vyrovnávajúca trubička do ucha (tympanostomia), koronárny arteriálny stent, protetické náhrady kolenných kĺbov a rôzne kovové skrutky či platničky.

S. C.: Z akých materiálov sa vyrábajú?

Z. KRONEKOVÁ a J. KRONEK: Rozvoj biomateriálovej vedy a inžinierstva na začiatku 21. storočia viedol k významnému vývoju nových typov biomateriálov a ich uplatnenia sa v biomedicíne. Výber materiálu pre zdravotnícku pomôcku alebo náhradu zavisí od toho, na čo má slúžiť, kde a na ako dlho je táto pomôcka či náhrada potrebná. Do úvahy sa berú nielen fyzkálno-chemické a mechanické vlastnoti materiálu, ale aj prostredie, do ktorého je náhrada určená. Napríklad, náhrada bedrového kĺbu musí mať úplne iné vlastnosti v porovnaní s náhradou zubného koreňa alebo zuba, hoci obe náhrady sú umiestnené do kosti. Materiály pre biomedicínu môžu pochádzať z prírodných, ako aj syntetických zdrojov.

Najväčšiu skupinu materiálov používaných v medicíne tvoria práve polymérne materiály. Polyméry, či už prírodné alebo syntetické, majú unikátne vlastnosti, ktoré ich predurčujú na široké využitie v rôznych biomedicínskych aplikáciách. Medzi najpoužívanejšie patria poly(metyl metakrylát) (PMMA), slúži ako kostný cement, alebo na výrobu vnútroočných alebo kontakných šošoviek, kyselina polyakrylová (PAA) pri dentálnych náhradách, polyetylén vysokej hustoty (PE) na výrobu katetrov, hadičiek, alebo ako súčasť umelých kĺbov. Polydimetylsiloxány (PDMS) sú využívané ako náhrady kĺbov v prstoch, srdcové chlopne, prsníkové implantáty, ale taktiež ich možno použiť na rekonštrukciu tváre (uši, nosa, brady). Polyetyléntereftalát (PET) možno nájsť v náhradách ciev, pri fixácii implantátov alebo rekonštrukcii väzového tkaniva. Acetát celulózy predstavuje synteticky upravený prírodný polymér a je dôležitý pri výrobe dializačných membrán alebo nosičov liečiv. Kyselina polymliečna (PLA) a polyglykolová (PGA) a ich kopolyméry (PLGA) predstavujú biologicky odbúrateľné polyméry, ktoré sa využívajú na pokrývanie kardiovaskulárnych štepov, stentov, výrobu chirurgických nití a na regeneráciu mäkkých tkanív.

Ďalšiu skupinu materiálov tvoria kovové biomateriály. Medzi najpoužívanejšie patria zliatiny titánu a niklu, ako aj nehrdzavejúca oceľ. Môžeme ich nájsť najmä v ortopédii ako náhrady bedrových kĺbov, ako rôzne skrutky a platničky. Svoje uplatnenie tiež našli pri výrobe kardiovaskulárnych stentov a chirurgických nástrojov.

Ďalšou skupinou sú keramické a sklené materiály využívajúce sa väčšinou na regeneráciu alebo ako náhrada skeletu a spojivového tkaniva v ortopédii. Ich výhodou pri regenerácii kostí je ich porozita a možnosť prerastania kostnými bunkami. Keramické materiály založené na fosfáte vápenatom sú využívané v zubárstve.

V neposlednom rade sú to kompozitné materiály, ktoré vznikajú kombináciou horeuvedených materiálov a majú široké uplatnenie vo všetkých medicínskych odvetviach.  

Samostatnou kategóriou sú uhlíkové materiály využívajúce sa predovšetkým v kompozitných materiáloch. Uhlík je súčasťou rôznych nanomateriálov, ale aj vo forme pyrolitického uhlíka, ktorý sa ukazuje byť vhodnejší pre ortopedické náhrady v porovnaní s polymérnymi alebo keramickými materiálmi.

S. C.: Aké vlastnosti musia mať dané materiály, aby ich ľudské telo prijalo a nespôsobovalo mu problémy?

Z. KRONEKOVÁ a J. KRONEK: Pri dizajne materiálu pre biomedicínske uplatnenie je dôležitá jeho funkčnosť, ale aj jeho biokompatibilita. Pod pojmom biokompatibilita sa skrýva nielen netoxičnosť a neimunogénnosť materiálu, z ktorého je náhrada vytvorená, ale aj interakcie biomateriálu s bunkami tkanív a krvi. Porozumením týchto interakcií môžeme nastaviť vlastnosti materiálov tak, aby vyhovovali danej aplikácii. Nedá sa preto všeobecne povedať, aké vlastnosti dané materiály musia mať, pretože to, čo je biokompatibilné pre prostredie makkých tkanív, nemusí byť vhodné napr. pre kostné tkanivá. Preto diverzita materiálov pre biomedicínu je veľmi široká a každá aplikácia má vlastné požiadavky na vlastnosti materiálu.

S. C.: Aké výhody majú biomateriály?

Z. KRONEKOVÁ a J. KRONEK: Na túto otázku je ťažko odpovedať, lebo pre rôzne aplikácie je určitá vlastnosť materiálu výhodou a pre inú nevýhodou. My napríklad vyvýjame biomateriály, ktoré by nemali byť rozoznávané imunitným systémom hostiteľského organizmu a mali by byť neviditeľné pre imunitné bunky. To by nielenže obmedzilo nežiadúce vedľajšie účinky ako napríklad zápalové procesy, ale bola by tu možnosť ich využitia ako ochrannej vrstvy pri transplantácii tkanív alebo orgánov od darcu. Na druhej strane, vieme pripraviť aj materiály, ktoré cielene stimulujú imunitný systém a mohli by pomáhať pri liečbe určitých ochorení.

S. C.: V akých prípadoch je nutná rekonštrukcia orgánu?

Z. KRONEKOVÁ a J. KRONEK: Samozrejme o tom, či je potrebná rekonštrukcia alebo kompletná náhrada orgánu, môže rozhodovať iba lekár. Zároveň nie všetky orgány sa dajú rekonštruovať. V súčasnosti sa väčšinou pristupuje k rekonštrukcii kostí, spojivových tkanív (kĺby, väzy) a čiastočne mäkkých tkanív ako cievy, prípadne prsné implantáty napr. pri odstránení prsníka po rakovine. Ako už bolo diskutované, pri transplantáciách je taktiež veľmi dôležitá aj imunitná reakcia organizmu, čiže či je organizmus schopný prijať implantovanú náhradu orgánu.

S. C.: Na ako dlho je možné nechať tú istú náhradu v ľudskom tele? Sú také, čo tam môžu byť navždy alebo sa musia vymieňať?

Z. KRONEKOVÁ a J. KRONEK: To závisí od konkrétnej náhrady, každá môže mať inú životnosť. Cieľom je, aby každá náhrada vydržala čo najdlhšie, najlepšie doživotne, ale nie vždy sa to dá docieliť a je potrebná výmena. Životnosť náhrad je tiež určovaná odolnosťou biomateriálu na rozhraní so živými tkanivami a naopak, vplyvom náhrady na životný cyklus tkaniva.

S. C.: Ako pokročila veda, vedci isto skúmajú stále nové a nové materiály, ktoré by mohli slúžiť ako umelé náhrady. Čo sa očakáva v blízkej budúcnosti​?

Z. KRONEKOVÁ a J. KRONEK: Vo všetkých oblastiach napreduje veda míľovými krokmi a výnimkou nie je ani biomateriálový výskum. Vo všeobecnosti platí, že každý materiál má buď nejaké nedostatky, vedľajšie účinky alebo limity, ktoré sa vedci snažia odstrániť alebo posúvať k žiadaným vlastnostiam. Ako príklad môžem uviesť náhrady bedrových kĺbov. V súčasnoti najpoužívanejšie náhrady bedrových kĺbov sú zložené z kovových častí (titánové alebo zliatiny kobaltu a chrómu) a polymérnych častí (vysoko molekulový polyetylén – UHMWPE, alebo PMMA – cement). Ako sa ukázalo až neskôr v praxi, po implantácii a po postupnom zaťažovaní (opotrebovávaní) kĺbu sa uvoľňovali malé mikročiastočky polyméru, ktoré spôsobovali pri niektorých jedincov zápaly a s tým spojené nepríjemné bolesti. Preto sa pracovalo na postupoch, ktoré by viedli k zvýšeniu mechanickej odolnosti týchto materiálov, čo sa docielilo zvýšením presieťovania pomocou radiácie. To však so sebou prinieslo vyššie riziko voľných radikálov, ktoré môžu mať negatívy dopad na zdravie. Preto sa paralelne vyvíjajú nové materiály a veľká nádej sa upriamuje na keramické materiály, ktoré sú biologicky nezávadné, mechanicky veľmi odolné a zároveň vďaka svojej pórovitej štruktúre umožňujú rast kostných buniek. Podobne je to u materiálov ako stenty na rozširovanie upchatých ciev, ktoré sa vyrábajú z kovových zliatin. Vynikajúce vlastnosti ako elasticita, tvarová pamäť majú zliatiny niklu a titánu. Avšak nárast pacientov s alergiou na nikel významne obmedzil ich použitie. Tieto a im podobné fakty sú dôvody toho, prečo sa vyvýjajú stále nové materiály. Taktiež je snaha o vývoj syntetických polymérnych biomateriálov mimikujúcich vlastnosti biologických systémov, respektívne zabezpečujúcich nerozoznávanie uvedeného polyméru imunitným systémom hostiteľského organizmu. Intenzívny je tiež vývoj hybridných materiálov zložených zo syntetických polymérov a biopolymérov (DNA, proteíny, polysacharidy).

A čo nás čaká v budúcnosti? Súčasný svet žije nanotechnológiami a to je smer, ktorým sa výskum biomateriálov bude uberať. Jedným zo smerov budúcnosti je oblasť „nanorobotov“, čiže nanoobjektov schopných autonómneho pohybu na molekulárnej úrovni. Tie by sa v budúcnosti mohli využívať na riadenú dopravu liečiv alebo vychytávanie škodlivých látok priamo v orgánoch. Tu sa uplatňujú takzvané „smart“ alebo inteligentné biomateriály, ktoré sú schopné poskytovať špecifickú zmenu vlastností v závislosti od zmeny fyziologických podmienok (pH, teplota, svetelné žiarenie, chemické efekty).

Ďalšou intenzívne študovanou oblasťou je aj vývoj umelých svalov, ktoré by mohli nájsť uplatnenie v protetických končatinách alebo u ľudí so zníženou pohyblivosťou. Použité materiály musia mať tvarovú pamäť a byť schopné programovanej kontrakcie a relaxácie svalovej hmoty. Intenzívny výskum je aj v oblasti neuroprotetiky, kde je snaha o rekonštrukciu alebo náhradu miechového tkaniva, prípadne vytvorenie interaktívneho rozhrania medzi protézou a centrálnych nervovým systémom.

 

Rozhovor poskytli: Dr. Rer. Nat. Zuzana Kroneková a Mgr. Juraj Kronek, PhD.

Zhovárala sa: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Ilustračné foto: Pixabay.com

Uverejnila: VČ

Súvisiace:

Hore
výtvarná súťaž TVT 2019
Aurelium - centrum vedy
Vedec roka 2018
QUARK
Prechod VK na VND - leto
fotografická súťaž TVT 2019
Noc výskumníkov 2019
kúpa časopisov jún 2016
Atmosféra počas TVT 2018
TVT 2019
Publikácie Veda v CENTRE
TVT 2018 články
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Mozgová plasticita nám dovoľuje prispôsobiť sa nesmierne širokej škále rôznych prostredí.
Zistite viac