Grupa naukowców, pod kierownictwem dr hab. prof. UŚ Danuty Stróż, kontynuując badania nad różnorodnymi materiałami, realizuje przedsięwzięcie w ramach ogłoszonego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju programu INNOTECH, którego podstawowym założeniem jest wsparcie nauki i przedsiębiorstw w zakresie realizacji innowacyjnych przedsięwzięć z różnych dziedzin nauki i branż przemysłu.

Dr hab. prof. UŚ Danuta Stróż i dr hab. prof. UŚ Józef Lelątko w laboratorium znajdującym się w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie

Stopy z pamięcią kształtu, badane przez pracowników Instytutu Nauki o Materiałach, są unikatową klasą stopów metali, które w odpowiedniej temperaturze mogą zmieniać kształt. Efekt pamięci kształtu, spowodowany zachodzącą w materiale przemianą, polega na tym, że materiał odkształcony w niskiej temperaturze, po podgrzaniu wraca do pierwotnego kształtu. Można też spowodować, że materiał ten będzie „pamiętał” zarówno kształt z wysokiej, jak i z niskiej temperatury. Kierownikiem badań prowadzonych nad nową generacją materiałów, wykazujących niekonwencjonalne właściwości, jest dr hab. prof. UŚ Danuta Stróż, dziekan Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach.

Celem projektu jest zaproponowanie konkretnych zastosowań w medycynie stopów z pamięcią kształtu, wykonanie prototypów i przygotowanie produkcji na skalę przemysłową. Projekt realizowany jest przez konsorcjum, w skład którego wchodzą: Uniwersytet Śląski (w roli lidera), Politechnika Warszawska, BHH Mikrohuta sp. z o.o., BHH Mikromed sp. z o.o.

Dlaczego nikiel i tytan? Ponieważ właśnie te stopy posiadają niezbędne cechy, takie jak pamięć kształtu i biokompatybilność, czyli są one obojętne dla organizmu ludzkiego i mogą być wykorzystane jako biomateriały w postaci, na przykład, implantów. Ponad 90 proc. zastosowań tych stopów to zastosowanie w medycynie, w tym także w ortodoncji. Implanty stały się wybawieniem dla uszkodzonych kości, zębów, korekcji zniekształceń czaszki u dzieci, zespoleń złamanych drobnych kości i wielu innych. Zastosowanie odpowiednich proporcji poszczególnych składników stopu pozwala na odzyskanie kształtu w temperaturze ciała pacjenta. Z tego też powodu znalazły rozległe zastosowanie jako płytki i klamry zespoleń złamanych kości, schorzeń kręgosłupa (leczenie skoliozy), wykorzystywane są także w chirurgii twarzowo-szczękowej oraz kardiochirurgii (stenty).

Popularnie stosowane implanty stalowe, ogólnodostępne, między innymi, ze względu na niski koszt produkcji, nie wytrzymują konkurencji ze stopami NiTi z pamięcią kształtu. Stosując implanty ze stopu NiTi, poprzez wykorzystanie ich unikalnych efektów pamięci kształtu, podnosi się bezpieczeństwo zabiegu, skraca jego przebieg i czas rehabilitacji, znaczne ułatwiona jest także praca chirurgów, a komfort pacjenta nieporównywalnie wyższy. Produkcja tych materiałów w kraju przyniosłaby także konkretne oszczędności finansowe. Obecnie możemy jedynie bazować na sprowadzanych z zagranicy bardzo drogich implantach (nierefundowanych przez NFZ), lub nieco tańszych, ale niegwarantujących najwyższej jakości. W obu przypadkach źródłem zakupów jest rynek zachodni, ponieważ w Polsce nie produkuje się stopów z pamięcią kształtu, mimo że zastosowanie np. stentów z pamięcią kształtu nie tylko ułatwia interwencję chirurgiczną, ale przede wszystkim obniża inwazyjność zabiegu, czyniąc go o wiele bezpieczniejszym.

Tymczasem, jak twierdzą naukowcy z Instytutu Nauki o Materiałach, uruchomienie produkcji prostszych wyrobów ze stopów NiTi leży w granicach technologicznych możliwości krajowych. I właśnie ten projekt ma na celu wprowadzenie na polski rynek stopów na bazie NiTi oraz przygotowanie ich wdrożenia.

Walcowanie na gorąco kęsa NiTi

– Realizację projektu rozpoczęliśmy w maju ubiegłego roku – wyjaśnia kierownik projektu dr hab. prof. UŚ Danuta Stróż. Składa się on z dwóch faz. Jesteśmy na półmetku fazy pierwszej, czyli etapu badawczego, którego celem jest uzyskanie powtarzalnych wytopów w skali laboratoryjnej i półprzemysłowej. Nad poprawnością wdrożenia tego etapu czuwa dr Zdzisław Lekston, pracownik Instytutu specjalizujący się w technologii wytwarzania stopów NiTi. Badania nad tymi materiałami trwają w naszym Instytucie już od ponad dwudziestu lat. Doszliśmy więc do wniosku, że nadszedł czas, aby zakończyły się one konkretnym wdrożeniem, bez tego badania w dziedzinie inżynierii materiałowej nie mają większego sensu.

Wytwarzanie stopu o powtarzalnym składzie chemicznym jest bardzo trudne, a z kolei od składu chemicznego bezpośrednio i bardzo silnie zależą temperatury, w których zachodzi odzysk kształtu. Minimalna zmiana zawartości niklu, przykładowo o zaledwie 0,1 proc., może powodować zmianę temperatury odzysku o kilkadziesiąt stopni.

Poza badaniami nad składem chemicznym, postępują prace nad doprecyzowaniem odpowiednich warunków wytopu, w szczelnej atmosferze ochronnej, aby nie doprowadzić do wybuchu, ponieważ tytan jest materiałem bardzo aktywnym, który silnie reaguje z tlenem.

– Nowatorską częścią projektu – kontynuuje pani dziekan – jest modyfikacja powierzchni tych materiałów. Nikiel jest metalem alergogennym, wielu naukowców uważa nawet, że posiada on właściwości kancerogenne. Wprawdzie stop NiTi jest materiałem samopasywującym się, czyli wytwarzającym samoistnie warstewkę tlenku tytanu, która izoluje wyjście niklu poza implant i uniemożliwia tym samym jego przedostanie się do tkanek, obawa jednak pozostaje. Dlatego współczesna medycyna preferuje wytwarzanie różnych warstw powierzchniowych, czyli modyfikowanie powierzchni biomateriałów metalicznych, aby nie było bezpośredniego kontaktu metalu ze środowiskiem tkankowym. Innowacyjność w tym przypadku polega na przeprowadzaniu prób nanoszenia warstw azotkowych i tlenkowo-azotkowych. Tę część badań realizują naukowcy z Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Tadeusza Wierzchonia z Wydziału Inżynierii Materiałowej. Wyniki, które już uzyskaliśmy, wskazują na zdecydowane podwyższenie odporności na korozję, która bezpośrednio przekłada się na biotolerancję – podkreśla dziekan Stróż.

– Jest to szczególnie ważne w przypadku implantów długoterminowych – wyjaśnia dr hab. prof. UŚ Józef Lelątko, współtwórca i uczestnik projektu – czyli pozostających Walcowanie na gorąco kęsa NiTi Płytki NiTi po operacji modyfikowania powierzchni Foto: Instytut Nauki o Materiałach UŚ Foto: Instytut Nauki o Materiałach UŚ w organizmie ludzkim dłużej niż jeden miesiąc. Efekty obszaru badań azotowania i tlenoazotowania zdążają do dwóch zgłoszeń patentowych.

Badania korozyjne wymagają niezwykłej precyzji, prowadzone są metodą in vitro w warunkach idealnie odwzorowujących środowisko, w którym implant ma funkcjonować (na przykład w sztucznym osoczu krwi), gdzie porównywane są reakcje materiałów pokrytych warstwami azotkowymi, czy tlenkowo-azotkowymi z materiałami bez tych powłok. Proces napylania plazmowego prowadzony jest w wysokich temperaturach, co może wpływać na zmianę temperatury odzysku kształtu, parametry tego procesu muszą więc być tak dobrane, aby nie zniszczyć tego, co zostało uzyskane w stopie.

– Nałożone warstwy azotkowe lub tlenko- azotkowe muszą odkształcać się wraz z materiałem, powinny więc być odpowiednio cienkie, posiadać właściwą strukturę lub pozostawać amorficznymi – dodaje dr hab. prof. UŚ Lelątko.

Płytki NiTi po operacji modyfikowania powierzchni

Zespół naukowców z Instytutu ma już na swoim koncie kilka patentów w zakresie produkcji stopów NiTi. Zaproponowane w obecnie realizowanym projekcie nowe rozwiązania – jak zapewniają jego twórcy – polegają na wprowadzeniu w Polsce technologii produkcji nowych materiałów i wdrożeniu oryginalnych wyrobów medycznych, wykazujących supersprężystość i jedno- lub dwukierunkowy efekt pamięci kształtu oraz zastosowaniu ich w miejscach, w których dotychczas nie były stosowane. To stanowi znaczący wkład innowacyjny w światowe osiągnięcia dotyczące nowoczesnych sposobów małoinwazyjnych technik leczenia.

Po zakończeniu badań laboratoryjnych projekt wkroczy w drugą fazę, którą będą realizować (nadal pod czujnym okiem lidera) partnerzy z BHH Mikrohuty i BHH Mikromedu. Ich zadaniem będzie wyrób implantów, badanie rynku, opracowanie kart wdrożenia wyrobów, przeprowadzenie badań klinicznych, uzyskanie certyfikatów, rejestracja i wprowadzenie na rynek. Choć obecnie ściśle określony jest produkt finalny, czyli klamerki do łączenia drobnych kości nie tylko twarzoczaszki, zakres ten – jak zapewnia kierownik projektu – może znacznie się rozszerzyć, dostosowując do zapotrzebowania rynku. Wdrożenie do produkcji wyrobów medycznych może także spowodować zapotrzebowanie na te materiały w różnych dziedzinach gospodarki.

Uczestniczące w konsorcjum podmioty przemysłowe – Mikrohuta i Mikromed – są silnie zmotywowane. Otwarcie się na nową, innowacyjną produkcję poszerza i uatrakcyjnia ich ofertę rynkową, co w gospodarce konkurencyjnej ma kolosalne znaczenie. Nie bez znaczenia pozostaje także fakt, że Mikromed posiada specjalistyczne urządzenia i oprzyrządowanie, a także ponad trzydziestoletnie doświadczenie w produkcji metalowych wyrobów medycznych i gwarantuje chęć wdrożenia proponowanej technologii implantów NiTi. Do grupy najbardziej zainteresowanych rezultatami projektu należą, z oczywistych względów, kliniki, szpitale i różnego typu placówki medyczne, w których przeprowadzane są zabiegi i operacje technikami małoinwazyjnymi w obrębie twarzoczaszki, układu szkieletowego kręgosłupa i kości kończyn, zespoleń tkanek miękkich oraz stentowanie układu krwionośnego, oddechowego, przewodów żółciowych i przewodu pokarmowego. Autorzy projektu nie ukrywają, że liczą na zainteresowanie medycznych potentatów nie tylko z Unii Europejskiej, ale także ze Stanów Zjednoczonych i Japonii. Zakończenie projektu przewidziane jest w maju 2015 roku.