Doktorka Veronika Nagy Trembošová vytvorila biodegradovateľný bioimplantát na báze horčíka, ktorý je ľahký, pevný a jeho výhodou je, že sa rozloží priamo v tele.
Rozpustný horčíkový bioimplantát by sa mohol využívať na fixáciu zlomenín. Zdroj: iStock.com/Csaba Deli
- ako funguje bioimplantát na báze horčíka,
- ako vyzerá celý bioimplantát,
- na ktoré typy zlomenín by sme ho mohli použiť,
- aké sú najväčšie výhody horčíkových bioimplantátov,
- čím sú nebezpečné ióny, ktoré uvoľňujú kovové bioimplantáty,
- aké sú najväčšie rozdiely medzi bioimplantátom a klasickými implantátmi,
- kedy by sa mohol začať bioimplantát používať v praxi.
V Ústave materiálov a mechaniky strojov Slovenskej akadémie vied sa rôzni vedci venujú výskumu rozpustných bioimplantátov, ktoré by sa mohli v budúcnosti začať využívať napríklad aj na fixáciu zlomenín. Doktorka Veronika Nagy Trembošová vytvorila biodegradovateľný bioimplantát na báze horčíka, ktorý je ľahký, pevný a jeho výhodou je, že sa rozloží priamo v tele.
V rozhovore pre Veda na dosah prezradila, ako takýto horčíkový bioimplantát funguje, ako vznikol a na ktoré typy zlomenín by sme ho mohli v budúcnosti použiť.
Doktorka Veronika Nagy Trembošová vytvorila biodegradovateľný bioimplantát na báze horčíka, ktorý je ľahký, pevný a jeho výhodou je, že sa rozloží priamo v tele. Zdroj: Osobný archív V. N. T.
Horčík sa prirodzene vyskytuje v našom tele a je netoxický
Prečo ste sa rozhodli zaoberať výskumom bioimplantátov?
Na bioimplantáte som pracovala štyri roky počas doktorandského štúdia a stále je na ňom čo rozvíjať. Na našej katedre bola vypísaná podobná téma záverečnej práce, konkrétne išlo o horčíkové kompozity. Postupne som sa dostala k štúdiu čistého horčíka, ktorý má veľmi zaujímavé vlastnosti. Vždy ma to ťahalo k biotechnológiám, aj počas štúdia som sa pohybovala v oblastiach, kde sa prelínala biológia a medicína s technológiami.
Venujete sa vývoju rozpustných bioimplantátov na báze horčíka. Prečo ste sa rozhodli zvoliť si ako materiál určený pre bioimplantáty práve horčík?
Keďže sa predchádzajúci kompozit nejavil ako vhodný typ materiálu, siahli sme po čistom horčíku. Všetky materiály sme otestovali, väčšinou sa už na začiatku ukáže, či daný materiál spĺňa určité kritériá. Horčík je výhodný, pretože sa prirodzene vyskytuje v ľudskom tele a je preň vhodný a netoxický. Potom sme už museli iba správne nastaviť proces jeho rozpúšťania, aby v tele vydržal rovnako dlho a mal také isté vlastnosti počas celej doby.
Existuje už podobný bioimplantát na báze horčíka alebo ide o inovatívnu technológiu?
Horčíkové bioimplantáty sa v klinickej praxi už bežne používajú, avšak ide o kompozity rôznych materiálov. Jedným z najznámejších je WE43, teda zliatina horčíka s ytriom a neodýmom, čiže s kovmi, o ktorých zatiaľ nevieme, kde všade sa môžu v tele ukladať. Navyše bioimplantáty na báze horčíka nie sú ešte tak dlho skúmané, aby išlo o vyriešený problém. Chcela som vylúčiť možnosti negatívnych vplyvov na telo rôznych aditívnych prvkov v bioimplantátoch, ktoré sa používajú na zlepšenie ich vlastností. Ani pri iných kovoch stále nevieme, či sa nemôže časť z nich ukladať v mozgu alebo či nevylučujú nebezpečné látky a podobne. Keď sa implantát celý rozpustí, bude v tele kolovať a my musíme zistiť, či sa nebude v tele niekde ukladať. Toto je zatiaľ predmetom skúmania.
Čo znamená skratka WE43?
Číslo 43 znamená, že v bioimplantáte sú 4 percentá ytria a 3 percentá neodýmu. Ide o optimálne množstvo, pri ktorom sa tieto kovy v tele rozpustia.
Ako vyzerá celý bioimplantát?
Vyzerá ako skrutka alebo pružinka, ktorá zafixuje kosť v správnej polohe. Doktor presne určí, na ktoré miesto túto skrutku vložiť. Proces tvorby implantátu viem namodelovať tak, aby mal v závere želané vlastnosti danej kosti, ktorú má nahradiť.
Horčíkové bioimplantáty sa v klinickej praxi už bežne používajú, avšak ide o kompozity rôznych materiálov. Zdroj: iStock.com/monstArrr_
Čiže na každý druh zlomeniny musíte vytvoriť nový druh bioimplantátu?
Svojím spôsobom áno, ale keďže ide o rozpustný implantát, zatiaľ ním vieme liečiť iba malé typy zlomenín. Stále nevieme vytvoriť dostatočne pevnú rozpustnú skrutku, ktorá poskytne podporu veľkým kostiam. Napríklad takú zlomeninu prsta dokážeme vyriešiť len jednou skrutkou, zložité zlomeniny, napríklad v oblasti hrudníka, by sme týmto bioimplantátom nevedeli vyriešiť.
Bioimplantáty na báze zinku sú čoraz populárnejšie
Akým spôsobom ste zabezpečili, že z práškového horčíka vznikol bioimplantát?
Na práškovom horčíku vytvorím povlak s vlastnosťami, ktoré zlepšujú jeho rozpúšťanie. Ani bioimplantáty z horčíka nie sú dokonalé a majú negatívne vlastnosti, jednou z nich je aj uvoľňovanie iónov vodíka. Tento vodík sa hromadí v okolí a keď je ho nadmerné množstvo, môže negatívne vplývať na okolité tkanivá. Musím preto nastaviť rozpúšťanie horčíka. Ak vytvorím horčíkový prášok, hneď na vzduchu vznikne aj hydroxid horečnatý.
Pozrite si
Ten som transformovala na uhličitan horečnatý, ktorý mal znížiť rýchlosť rozpúšťania. Tieto prášky som pod tlakom zlisovala, preextrudovala pomocou hydroextrúzie, ktorá mala najlepšie mechanické vlastnosti. Vznikol materiál, ktorý sme narezali na menšie úseky a z nich sme vytvorili skrutku. Skrutky sme vložili do simulačnej tekutiny, ktorá obsahovala rôzne soli, podobne ako ľudské telo. Následne sme ich testovali v roztoku s obsahom bielkovín, cukrov či tukov a iných telesných tekutín vyskytujúcich sa na bunkových kultúrach.
V akom štádiu je momentálne tento výskum?
V závere dizertačnej práce som materiál otestovala na cytotoxicitu, teda to, ako budú reagovať bunky tela na tento materiál. V danom prostredí bunky vyrástli a odsledovala som, koľko týchto buniek počas vloženia skrutky do daného prostredia zomrelo. Na tieto testy sme zvolili materiál s najlepšími mechanickými vlastnosťami.
Plánujem ešte spolupracovať s Tureckom, kde chceme tento materiál otestovať. Po všetkých testoch si ho môžem dať patentovať a začať spolupracovať s nejakou farmaceutickou firmou. Celý proces implementácie materiálu do praxe je veľmi dlhý a zložitý, navyše má náročné kritériá a potrebujem naň obrovské financie.
V akej fáze je teda váš výskum a čo všetko musí absolvovať, aby sa mohol začať využívať v praxi?
Po materskej by som v tomto výskume chcela, ak by sa našli financie, pokračovať. Momentálne sa však do popredia viac dostávajú bioimplantáty so zinkom, navyše náš inštitút už prijal projekty s podobnou témou. Rozmýšľala som preto aj nad tým, že by som sa zamerala skôr na bioimplantáty na báze zinku. Zatiaľ však ešte neviem, ktorú tému budem viac rozvíjať.
Bioimplantát vyzerá ako skrutka, ktorou sa môžu liečiť zlomeniny. Zdroj: iStock.com/Tharakorn
Niektoré kovy použité v implantátoch uvoľňujú nebezpečné ióny. Čím sú tieto ióny nebezpečné pre zdravie pacientov?
Netreba to brať tak, že klasické implantáty sú nebezpečné, avšak v tele nemáme bežne titán či oceľ. Tieto kovové implantáty majú zvyčajne rôzne povlaky, no sú veľmi kompatibilné, takže po vložení do tela by nemali vytvárať žiadne negatívne reakcie. Pokiaľ ale do ľudského tela vložíte cudzí prvok, môže v okolí rany dochádzať k lokálnym zápalovým procesom. Bez ohľadu na to, aké antikorózne vlastnosti má, stále tento prvok uvoľní nejaké ióny. V okolí implantátu môže preto dôjsť k nejakým zápalom, navyše kovové implantáty sú oveľa pevnejšie ako kosť. V takomto prípade dochádza k stress-shielding efektu, ktorý spôsobí to, že kosť, laicky povedané, zlenivie.
Pozrite si
Implantát je zodpovedný za pevnosť kosti, ktorá vďaka tomu zredne. V prípade horčíkového implantátu nedochádza k spomenutému efektu, pretože dokážeme nastaviť pevnosť oveľa podobnejšiu pevnosti kosti, ako je to pri kovových implantátoch. Ďalším negatívom je znovuotvorenie rany v prípade, že po zahojení musíte implantát vybrať. Mnohí pacienti s titánovými či oceľovými implantátmi sa tiež sťažovali na bolesť, pretože cudzí predmet nedokáže telo ignorovať. Môj implantát sa snaží eliminovať tieto negatíva.
Menšie zlomeniny zahojí do dvoch mesiacov
Pri akých zraneniach môže mať tento bioimplantát využitie?
Všetky bioimplantáty môžeme vďaka rozpustnosti využívať na menšie zranenia, napríklad zlomeniny prstov či zápästia. V prípade väčších zlomenín si materiál vyžaduje dlhšiu dobu pevnosti, čo je problém. Bioimplantát je určite bezpečný. Musíme však ešte zistiť, aké množstvo daného kovu dokážeme rozpustiť, aby nebol pre telo škodlivý.
Na ktoré ďalšie typy zlomenín by sme mohli využiť váš bioimplantát?
Mohli by sme ho využiť najmä pri menších zlomeninách, napríklad prstov na rukách či nohách. Dokážeme ním zafixovať jednotlivé články prstov, prípadne zápästia či záprstných kostí. Takéto zlomeniny sa pomocou môjho bioimplantátu hoja okolo šiestich až ôsmich týždňov. Počas tejto doby musia byť dostatočne pevné, aby kosť stihla nahradiť bioimplantát. Keď je kosť už zrastená, bioimplantát nie je v tele potrebný, preto sa úplne rozpustí.
Je u každého pacienta potrebné individuálne nastavenie času rozpustnosti implantátu?
Doba rozpustnosti je nastavená na šesť až desať týždňov, teda na štandardnú dobu hojenia zlomeniny. Počas tohto času kosť zrastá. Pokiaľ by však napríklad lekár vyhodnotil, že pacient má osteoporózu, nemyslím si, že by bol preňho tento implantát vhodným riešením.
Bioimplantát by mal využitie najmä pri menších zlomeninách, napríklad prstov na rukách či nohách. Zdroj: iStock.com/Ladanifer
Nepredstavujme si to tak, že bioimplantát sa rozpustí za šesť týždňov, on práveže musí počas tejto doby poskytovať dostatočnú oporu zlomenej kosti. Kosť sa začne obnovovať, implantát jej poskytuje dostatočnú oporu a keď kosť narastie, rozpustí sa. Proces rozpúšťania bioimplantátu je dlhší ako doba zrastenia kostí.
Aké sú najväčšie rozdiely medzi bioimplantátom a klasickými implantátmi?
Klasický implantát poskytuje oporu kosti, kým sa zlomenina zahojí. Následne musíte ranu otvoriť a implantát vybrať. O tento celý proces predĺženej liečby, operácie či stresu je pacient odbremenený. Lekári sú zároveň odbremenení od operácií navyše.
Má bioimplantát aj nejaké ďalšie výhody?
Horčík sa prirodzene vyskytuje v tele a jeho ióny podporujú rast a hojenie kostí. Uvoľňuje ióny, ktoré stimulujú len osteoblasty, teda kostné bunky. Okrem toho stimuluje tvorbu ciev, ktoré vyživujú kosti. Pri regenerácii kostí ide o kľúčové procesy. Navyše horčík pôsobí protizápalovo, takže zmierňuje negatívne účinky po implantácii.
(RR)
