Implantologia jest nauką stosunkowo młodą, jej początki sięgają drugiej połowy XX wieku, rozwija się jednak niezwykle intensywnie, wymuszając ogromny postęp nauk ją wspomagających, przede wszystkim inżynierii materiałowej i biomedycznej. Zabiegi polegające na wszczepianiu implantów zastępujących utracone, uszkodzone lub zniekształcone pod wpływem choroby tkanki są dziś wykonywane masowo. Nie oznacza to jednak, że jakość materiałów, z których wykonane są poszczególne wszczepy, sięgnęła doskonałości.

Dr Bożena Łosiewicz kieruje pracami Laboratorium Badań Korozyjnych

To ogromne wyzwanie dla naukowców i imperatyw do poszukiwania stopów i powłok, które nie tylko gwarantują „przyjęcie się” wszczepów, ale ulepszają je pod kątem interakcji, odporności, trwałości itp. Implant bowiem, aby okazał się skuteczny, musi nie tylko przywrócić funkcję danego narządu, ale także zapewnić komfort pacjentowi i zabezpieczyć go przed negatywnymi skutkami, np. reakcjami alergicznymi. Nauka o biomateriałach jest dziedziną interdyscyplinarną, angażującą lekarzy różnych specjalizacji, biologów, fizyków, chemików, inżynierów, elektroników, mechaników…

Instytut Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego powstał w 2003 roku na bazie istniejącego wcześniej Instytutu Fizyki i Chemii Metali. W ciągu kilkunastu lat rozszerzył nie tylko spektrum badań, zmieniła się także jego struktura, która odpowiada współczesnym wyzwaniom naukowym. Obecnie w Instytucie funkcjonują: Zakład Krystalografii, Zakład Materiałów Amorficznych i Nanokrystalicznych, Zakład Modelowania Materiałów i Zakład Technologii Materiałów Inżynierskich, a wychodząc naprzeciw potrzebom rynku medycznego i gospodarki, w styczniu 2014 roku powołano do życia Zakład Biomateriałów, którego kierownikiem została dr hab. Danuta Stróż.

INoM dysponuje imponującym zapleczem badawczym, w tym znakomicie wyposażonym Zespołem Laboratoriów Badawczych (ZLB), w którego skład wchodzą: Laboratorium Mikroskopii Elektronowej, Laboratorium Dyfrakcji Rentgenowskiej oraz Laboratorium Badań Korozyjnych. O jakości i nowoczesności narzędzi badawczych w Zakładzie Biomateriałów świadczy z pewnością stacja wyposażona w skaningowe metody elektrochemiczne. To jedyne w Polsce tego typu urządzenie, a warto dodać, że w Europie jest ich zaledwie trzy. Unikatowa stacja pozwala poddawać analizie zjawisko korozji w nano- i mikroskali. Naukowcy potrafią scharakteryzować zniszczenia na powierzchni biomateriału lub obiektu biologicznego, którego rozmiar można porównać do nakłucia szpilką.

Nowocześnie wyposażone laboratoria służą nie tylko pracownikom i studentom Instytutu, od 2012 roku posiadają certyfikat akredytacji laboratorium badawczego (Nr AB 1332), trafiają tu zamówienia z bardzo wielu gałęzi przemysłu, a badania korozyjne w komorze solnej otwarte są na szerokie spektrum klientów.

Naukowcy z Zakładu Biomateriałów pracują nad modyfikacją powierzchni biomateriałów, głównie stopów tytanu w celu poprawy odporności korozyjnej, a tym samym zwiększenia ich biokompatybilności

– Komora solna – objaśnia dr Bożena Łosiewicz, która kieruje pracami Laboratorium Badań Korozyjnych – imituje środowisko wody morskiej. W badaniach korozyjnych materiałów przemysłowych, podobnie jak i biomateriałów, odporność korozyjną określa się w środowisku zawierającym chlorki. Standardowym roztworem do porównywania odporności korozyjnej materiałów jest woda morska, potocznie zwana solanką, którą otrzymujemy sztucznie w laboratorium. Możemy także zintensyfikować badania korozyjne dzięki zwiększeniu temperatury i stężenia środowiska korozyjnego. Efekt ten uzyskuje się dzięki rozpyleniu solanki do postaci mgły solnej, która posiada stukrotnie wyższe stężenie, co pozwala na stukrotne przyspieszenie czasu reakcji materiału. Każdy półwyrób czy wyrób metaliczny, który ma powłokę ochronną lub jest jej pozbawiony, przed uruchomieniem procedury wdrażania na rynku musi przechodzić badania zgodnie z ustaloną normą PN-EN ISO 9227:2012 „Badania korozyjne w sztucznych atmosferach. Badania w rozpylonej solance”.

Potencjalni klienci reprezentują różnorodne gałęzie przemysłu. Atestów potrzebują niemal wszyscy. Przedstawiciele przemysłu zaopatrującego koleje korzystają z usług Laboratorium Badań Korozyjnych, badając np. zderzaki wagonów kolejowych, przemysł samochodowy zwraca się o przetestowanie karoserii pokrytych powłokami lakierniczymi, przemysł budowlany potrzebuje atestów na wszelkiego typu łączniki, detale, takie jak gwoździe czy gwinty. Wszystkie elementy powlekane warstwami metalicznymi muszą przechodzić te badania. Do laboratorium trafiają nawet duże koncerny zachodnie sprzedające na terenie Polski meble, ponieważ koniecznością badań objęte są m.in. stelaże metalowe pokryte lakierem. Na Górnym Śląsku jest to jedyna placówka uprawniona do przeprowadzania tego typu analiz.

– Jesteśmy zespołem silnie interdyscyplinarnym – mówi dr Bożena Łosiewicz – tworzą go specjaliści z zakresu inżynierii materiałowej, chemii, inżynierii biomedycznej, fizycy… Pracujemy nad modyfikacją powierzchni biomateriałów, głównie metalicznych stopów tytanu w celu poprawy odporności korozyjnej w biokompatybilności, aby implanty wykonane z tych materiałów, które wszczepiane są do organizmów ludzkich, mogły jak najdłużej bezawaryjnie funkcjonować w ciele pacjenta i aby nie wywoływały one stanów zapalnych. W przypadku biomateriałów kluczowe są pierwsze godziny po wszczepieniu. Organizm ludzki rozpoznaje bowiem implant jako ciało obce i broniąc się, natychmiast produkuje przeciwciała i dąży do odrzucenia implantu. Powierzchnie wszystkich gotowych elementów modyfikujemy elektrochemicznie i nanosimy powłoki bioaktywne o właściwościach m.in. przeciwzakrzepowych i przeciwzapalnych.

Jeszcze do niedawna na polskim rynku medycznym dominowały (także ze względów ekonomicznych) implanty stalowe. Niosą one jednak poważne ryzyko. Podczas długoterminowego użytkowania implantów zawierających np. nikiel dochodzi do uwalniania jonów niklu, co powoduje korodowanie implantu. Produktem korozji są jony metalu, które przedostają się do organizmu. Tak więc niewłaściwie dobrany na aplikację długoterminową materiał może doprowadzić do metalozy, czyli do odkładania się metalu w wątrobie i w innych narządach, a w konsekwencji do poważnych powikłań i chorób przewlekłych. Ponadto takie dodatki stopowe, jak glin, nikiel lub wanad, mają właściwości kancerogenne i mogą wywoływać alergie, a nawet przyspieszać proces choroby Alzheimera i wielu innych. Wnikliwa obserwacja zachowania się w organizmie ludzkim wszczepów powoduje sukcesywne odstępowanie od implantów stalowych na rzecz stopów na bazie tytanu, który jest metalem intensywnie biokompatybilnym, czyli najbardziej przyjaznym dla żywych narządów. Pierwsze implanty wykonane z czystego tytanu zastosował szwedzki ortopeda profesor Per-Ingvar Branemark w 1965 roku.

Spektrum biomateriałów, które potrafimy wyprodukować – kontynuuje dr Bożena Łosiewicz – obejmuje materiały metaliczne, ceramiczne, polimerowe i kompozytowe, czyli wszystkie grupy, jakie są otrzymywane w inżynierii materiałowej. Naszym zadaniem jest sterowanie procesem produkcji biomateriału, spełniając wymogi konkretnej aplikacji, czy to na potrzeby szeroko rozumianego przemysłu medycznego, czy indywidualne lekarzy i pacjentów, którzy określają cechy danego implantu. Najbardziej zainteresowani nowymi biomateriałami są stomatolodzy.

Zespół prowadzi szeroko zakrojone badania korozyjne in vitro, czyli w skali laboratoryjnej, i in vivo, czyli na organizmie żywym. Naukowcy na podstawie analizy śliny badają między innymi, jak korozja implantu dentystycznego przebiega u chorych na cukrzycę; jak dieta, przebyte choroby, wzrost temperatury ciała rzutują na zachowanie się implantów w organizmie.

Jednym ze źródeł inspiracji badań są konferencje naukowe organizowane wspólnie ze środowiskiem medycznym, podczas których lekarze dzielą się problemami, na jakie napotykają podczas zabiegu wszczepu, użytkowania implantów, a także przy ich eksplantacji i usuwaniu. W oparciu o tę wiedzę specjaliści z Zakładu Biomateriałów starają się poprawiać jakość otrzymywanych stopów. – Ta współpraca jest bardzo dynamiczna – dodaje z uśmiechem pani doktor – jesteśmy uzależnieni od siebie, a wręcz nie możemy bez siebie funkcjonować.

Przed aplikacją biomateriałów przeprowadzane są badania biologiczne. W tej dziedzinie Zakład Biomateriałów współpracuje z Fundacją Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Z. Religi w Zabrzu, gdzie na powierzchni implantów hodowane są komórki.

W pracy nad modyfikacją powierzchni biomateriałów naukowcy wykorzystują dostępne biopolimery, czyli polimery występujące naturalnie w organizmach żywych, które są przez nie produkowane (m.in. celuloza, białka, kwasy nukleinowe). Materiałem wyjściowym mogą być np. pancerze skorupiaków, z których pozyskuje się chitynę wykorzystywaną do produkcji chitozanu. Powłoki można otrzymywać także z innych polimerów naturalnych, takich jak np. alginian czy kwas hialuronowy. Zagadnienia te są tematem prac doktorskich przygotowywanych w Zakładzie Biomateriałów. Modyfikacja składu powłok ma na celu nie tylko ułatwienie osteointegracji, czyli wrośnięcia implantów w tkanki, ale także wzbogacenie ich o właściwości przeciwzakrzepowe, przeciwzapalne, antybakteryjne i przeciwgrzybiczne. Powłoka taka jest biodegradowalna, czyli po spełnieniu swojej funkcji rozpada się, a zbędne produkty są wydalane z organizmu.

Wielkim osiągnięciem medycyny i nauk o materiałach są nanorurki tytanowe, którymi dostarczany jest w miejsce wszczepu właściwy lek przeciwzapalny.

– Docelowe sterowanie lekami jest bardzo nowoczesną metodą leczenia – przyznaje dr Bożena Łosiewicz – minimalizuje bowiem suplementację doustną, która obciąża cały organizm, a wiadomo, że pacjent, któremu wszczepiany jest implant, musi być wspomagany lekami przeciwzapalnymi i zapobiegającymi jego odrzuceniu. Powierzchnię implantu pokrytą odpowiednią powłoką wykorzystujemy jako platformę nośnika kompozycji niezbędnego leku. To daje możliwość nie tylko docelowej aplikacji, ale także sterowania kinetyką uwalniania leku w zależności od wymaganej pory (nocą lub w ciągu dnia), a także szybkością podawania specyfiku.

Dr Grzegorz Dercz, adiunkt z Zakładu Badań Strukturalnych INoM, kieruje pracami zespołu realizującego projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki. Tematem badań są multifunkcjonalne właściwości oraz mikrostruktura nowych stopów tytanowych do zastosowań biomedycznych. Celem jest zaprojektowanie materiału, który będzie posiadał właściwości związane z pamięcią kształtu, ale w oparciu o składniki, które nie są toksyczne. Stopy posiadające efekt pamięci kształtu nie są już niczym nowym, są wytwarzane i obrabiane na całym świecie. Zespół pod kierunkiem dr. Grzegorza Dercza poszukuje stopu, który wyeliminuje nikiel, jak wynika bowiem z dostępnych danych literaturowych, jest on szkodliwy i jego uwalnianie się do organizmu wywołuje szereg komplikacji zdrowotnych.

– Naszym zadaniem jest – wyjaśnia adiunkt Grzegorz Dercz – opracowanie nowych biomateriałów na bazie stopów tytanu, zawierających nietoksyczne pierwiastki, np. tantal, niob, cyrkon, cynę, oraz zbadanie ich właściwości strukturalnych, mechanicznych, odporności korozyjnej oraz efektu pamięci kształtu. Wyeliminowanie niklu osłabia wprawdzie nieco podstawową pamięć kształtu, ale prowadzi do celu, czyli możliwości zaimplantowania u osób nadwrażliwych na nikiel.

Projekt ma charakter interdyscyplinarny, uczestniczą w nim m.in. specjaliści z Politechniki Śląskiej, a część badań prowadzona jest na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Choć zakończenie prac przewidziane jest w 2017 roku, już dziś zespół planuje dalsze badania nad tą tematyką, by w konsekwencji przeprowadzić próby aplikacyjne w postaci badań klinicznych.

Nowe biomateriały mogłyby być w przyszłości interesującą alternatywą dla wyrobów medycznych NiTi z pamięcią kształtu (czyli np. stenty, fragmenty do zespalania naczyń miękkich, jelit, kości), ponieważ są znacznie bezpieczniejsze dla organizmu.