Má až dvojnásobnú ohybnosť oproti dnes používaným materiálom.
Ilustračný obrázok kosti. Zdroj: iStock
Kovové zliatiny, ktoré sa používajú na výrobu kĺbových náhrad a kostných implantátov, musia byť veľmi pevné a odolné, ale zároveň aj pružné. Výskumníci z Japonska za pomoci vedcov z Ústavu termomechaniky Akademie vied Českej republiky (AV ČR) vytvorili kovový materiál, ktorý spája zdanlivo si odporujúce vlastnosti.
Zliatina na báze kobaltu a chrómu napodobňuje pružnosť ľudských kostí a je mimoriadne odolná voči opotrebovaniu. V budúcnosti môže preto nahradiť dnes v ortopédii bežne používané zliatiny, a zmierniť tým ťažkosti, ktoré pacientom implantáty spôsobujú.
Pevná a ohybná ako kosť
Nová zliatina, označovaná ako CCAS (zo skratiek prvkov Co-Cr-Al-Si, teda kobalt, chróm, hliník a kremík), má vlastnosti, ktoré ju predurčujú stať sa ideálnym materiálom na výrobu kostných náhrad. Českí a japonskí vedci publikovali svoj objav vo vedeckom časopise Advanced Materials.
„Zliatinu pripravili v Japonsku. My sme zaisťovali predovšetkým meranie jej pružnosti,“ opisuje Hanuš Seiner z Ústavu termomechaniky AV ČR, jeden z autorov štúdie. „Na našom pracovisku máme svetovo unikátne zariadenie, ktoré vie presne zmerať extrémne malé deformácie. Na zaťaženie materiálu sme pri testoch použili ultrazvukové vlny,“ dodáva Seiner.
Vedci sa pri príprave zliatiny na báze kobaltu a chrómu zamerali na zníženie rozdielu v ohybnosti medzi ľudskou kosťou a kovom. Tú ovplyvňuje orientácia kryštálov kovových prvkov. Vytvorili preto kovové monokryštály s veľkosťou niekoľkých centimetrov a presne určenou priestorovou orientáciou.
Počas testovania v Ústave termomechaniky AV ČR mala nová zliatina až 17-percentnú ohybnosť, keď sa po záťaži vrátila bez deformácie do pôvodného tvaru. Oproti dnes používaným materiálom na báze niklu je to až dvojnásobná hodnota.
Zliatina CCAS zároveň vykazuje veľmi nízky modul pružnosti – pomer medzi napätím a ním vyvolanou deformáciou. „Naša zliatina sa zo všetkých materiálov, ktoré sa vyvíjajú za účelom kostných náhrad, najviac približuje správaniu skutočnej kosti,“ konštatuje Hanuš Seiner.
Českí a japonskí vedci chcú vlastnosti novej zliatiny dôkladnejšie preštudovať a detailne popísať mechanizmy jej správania. „Je potrebné, aby prešla regulárnym klinickým výskumom,“ pripomína Seiner. „Zliatinu CCAS čaká ešte dlhý proces, na konci ktorého sa bude môcť zaradiť medzi bežne používané materiály kostných náhrad,“ uzatvára.
Vedci dúfajú, že poznatky z experimentov a meraní napomôžu ďalšiemu vývoju kovových materiálov v budúcnosti.
Model kostného kovového implantátu. Zdroj: iStock
Ideálny materiál pre telo
Medicína pozná kovové kostné implantáty už od začiatku 20. storočia. V súčasnosti sa vyrábajú prevažne z takzvaných biomateriálov (zliatin), ktoré ľudské telo neodmietne, a zároveň svojimi vlastnosťami imitujú živé tkanivo.
Dnes používané zliatiny kostných náhrad sú síce odolné a pevné, ale oproti samotným kostiam, ku ktorým sú pripevnené, sú o poznanie menej flexibilné. Pri nerovnomernom rozložení síl počas namáhania môžu degradovať okolité kosti. Typickým dôsledkom je osteoporóza alebo kostná atrofia. Ich príčinou je úbytok a rednutie kostnej drene, ktoré potom vedú k zvýšenej náchylnosti na fraktúry niektorých častí skeletu.
Na druhej strane existujú moderné biomateriály, ktoré sa svojou flexibilitou kostiam podobajú. Ich nevýhodou je, naopak, nižšia pevnosť a odolnosť. Vedci sa snažia preto vyvíjať zliatiny, ktoré predstavujú určitý kompromis – sú pevné, trvanlivé a odolné, ale zároveň ohybné.
Zliatina na báze niklu a titánu, ktorá spĺňa požadované vlastnosti pevnosti aj pružnosti, má svoje využitie v stomatológii a dentálnej chirurgii. Sú z nej vyrobené napríklad drôty pevných strojčekov. Nikel však môže predstavovať problém pre pacientov, ktorí naň majú alergickú reakciu. Bohužiaľ, pri experimentoch so zliatinami, v ktorých bol nikel nahradený, materiály svoju pružnosť stratili.
Nový biomateriál vyvíjajú aj slovenskí vedci v Košiciach
Vedecký tím z Ústavu materiálového výskumu SAV (ÚMV SAV) v Košiciach, Univerzity veterinárskeho lekárstva a farmácie v Košiciach v spolupráci so Vzdelávacím, vedeckým a výskumným inštitútom AGEL a Nemocnicou AGEL Košice-Šaca už pätnásť rokov pracuje na vývoji biomateriálu pre regeneračnú medicínu. Venuje sa významným riešeniam terapie tvrdých tkanív a kože.
Odborníci z ÚMV SAV sa v experimentálnej fáze zamerali na vývoj implantátov vo forme samovoľne tuhnúcich biocementových pást a keramických, špecificky modifikovaných materiálov určených pre terapiu osteochondrálnych a kostných defektov. Biocement predklinicky experimentálne testovali na poškodenom chrupkovom, kostnom alebo kožnom tkanive zvieracích modelov. Po aplikácii vyvinutých biomateriálov došlo k regenerácii a novotvorbe tkaniva v mieste defektu.
Pozrite si
„Vyvinuli sme modifikovaný kalcium-fosfátový biocement obsahujúci aj špecifické animokyseliny, ktoré ovplyvňujú hojenie defektov a v závislosti od zloženia a charakteru biocementu i tvorbu kostného tkaniva,“ opísal výsledok výskumu Ľubomír Medvecký z ÚMV SAV, ktorý spolu s profesorom Jánom Dankom z Univerzity veterinárskeho lekárstva a farmácie v Košiciach riadi a koordinuje vedecký kolektív.
„Efektivita biocementu bola úspešne otestovaná na in vivo (živý model v prirodzenom prostredí) zvieracom modeli vložením biocementovej pasty do umelo vytvoreného miesta poškodenia chrupkového alebo kostného subchondrálneho tkaniva, pričom po vyhojení sa dosiahla hrúbka pôvodnej chrupky alebo kosti a vytvorilo sa kvalitatívne takmer identické tkanivo,“ konštatuje inžinier Medvecký.
Na Slovensku zatiaľ nie sú, čo sa spomenutého účelu týka, dostupné vhodné materiály určené na implantáciu, je možný iba ich dovoz zo zahraničia, čo ale znamená veľké náklady a ovplyvnenie konečnej dostupnosti i ceny výkonu.
Úspešné aplikovanie vyvinutých kompozitných biopolymérnych modifikovaných biomateriálov na báze chitosanu v liečbe chondrálnych defektov podnietilo záujem o využitie spomínaného materiálu v procese terapie popálenín a chronických kožných defektov u diabetikov. Vedci plánujú aj naďalej pokračovať v testovaní a následnej aplikácii terapie počas klinických skúšok tiež na ľuďoch.
Zdroj: Česká akadémia vied, Nemocnica Agel
(JM)
