Choć próby zastępowania fragmentów kości czy protezowania palców podejmowano już ponad 2000 lat p.n.e., najbardziej intensywny rozwój implantologii przypadł dopiero na wiek XX. To przyspieszenie było związane m.in. z pracami nad materiałami biokompatybilnymi, które nie są toksyczne i nie wywołują reakcji alergicznych oraz zapalnych w kontakcie z żywą tkanką. Takie materiały bada i projektuje prof. dr hab. Tomasz Goryczka z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, nominowany do Śląskiej Nagrody Naukowej 2025.

Prof. dr hab. Tomasz Goryczka

Powstanie nowych materiałów współgrających z organizmami ludzkimi i zwierzęcymi, które z powodzeniem mogą być stosowane w implantologii, możliwe było przede wszystkim dzięki rozwojowi nowoczesnej aparatury pomiarowej. Kluczowy moment to upowszechnienie mikroskopii wysokorozdzielczej. Jej korzenie sięgają lat 50. ubiegłego wieku, ale dopiero dziś te narzędzia tak naprawdę pozwalają „zajrzeć” w głąb materii na poziomie atomowym.

– Wciąż jeszcze jest to odległa przyszłość, ale współczesna nauka dąży do możliwości precyzyjnego układania struktury materiałów – trochę tak, jak układa się klocki. Od dawna wiemy, że poprzez projektowanie składu chemicznego materiału możemy zaprogramować jego właściwości. Zmieniają się jedynie narzędzia, które pozwalają na coraz bardziej precyzyjne działania – mówi naukowiec. – Moje zainteresowania wiążą się z biomateriałami. Projektując je, koncentrujemy się na tym, aby otrzymać właściwości odpowiadające potrzebom medycyny – nie tylko w implantologii, ale też do zastosowania w instrumentarium medycznym – dodaje.

Nie tylko implanty mają bowiem kontakt z organizmem. Także narzędzia chirurgiczne, mające przecież styczność z płynami ustrojowymi podczas operacji, muszą spełniać określone, rygorystyczne normy.

Jak mówi prof. Tomasz Goryczka, mimo ogromnego rozwoju inżynierii materiałowej i aparatury droga od projektu do wdrożenia w tej dziedzinie jest bardzo długa i żmudna. Jest to proces, który trwa niejednokrotnie kilkanaście lat. W systemach prawnych uzyskanie odpowiednich certyfi katów wiąże się z ogromnym wysiłkiem, ale też z kosztami wynikającymi z pozyskiwania atestów czy prowadzenia testów klinicznych.

– Mimo to materiały, które projektujemy, są przeznaczone do rozwiązywania określonych problemów w medycynie i przygotowywane z myślą o wdrożeniu – podkreśla naukowiec.

Nie wszystkie materiały, jak dodaje, są projektowane od zera. Bardzo często praca badaczy polega na ulepszaniu właściwości produktów dostępnych na rynku. W takim przypadku łatwiej wdrożyć rozwiązania poprawiające komfort życia pacjentów. Przykładem mogą być gwoździe śródszpikowe będące efektem doktoratu wdrożeniowego. Zostały wykonane ze zmodyfi kowanej stali implantacyjnej poprzez optymalizację jej składu chemicznego oraz sposobu wytwarzania i przetwarzania. W efekcie otrzymany został materiał wyjątkowo wytrzymały, ale również podatny na odkształcenia plastyczne.

– Takie rozwiązania mają szczególne znaczenie w leczeniu małych pacjentów. Dzieci są bardzo energiczne, do tego rosną, dlatego w ich ciałach implanty poddawane są przeciążeniom. To sprawia z kolei, że materiał, z którego są wykonane, musi odpowiadać na te szczególne potrzeby – mówi naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.

Rozwiązanie, jak dodaje, odniosło sukces komercyjny. Już kilkanaście tysięcy sztuk tych implantów zostało sprzedanych – głównie na rynek zagraniczny.

– To potwierdza, że możemy konkurować z innymi ośrodkami na świecie, nawet jeśli krajowy system przetargowy sprzyja wybieraniu rozwiązań tańszych, niestety często kosztem jakości – komentuje materiałoznawca.

Zdjęcie wykonane podczas symulowanej operacji mocowania implantu do kranioplastyki przeprowadzonej podczas Ogólnopolskiego Dnia Inżynierii Materiałowej 2025 w auli kampusu chorzowskiego. Prof. Tomaszowi Goryczce towarzyszy jego wnuk – Antek Liptak

Inżynieria materiałowa okazuje się dziedziną fascynującą nie tylko dlatego, że rozwój techniki otwiera przed naukowcami coraz to nowe drzwi, lecz również ze względu na różnorodność zastosowań i rosnące zapotrzebowanie w dziedzinie medycyny. Naukowiec przyznaje, że obecnie można wymienić nawet 90% „mechanicznych” elementów ciała człowieka. Dużym wyzwaniem jest więc środowisko, w którym dany implant będzie pełnić swoją funkcję. Na przykład stenty kardiologiczne funkcjonują w zupełnie innych warunkach niż implanty urologiczne, narażone chociażby na działanie innego środowiska biologicznego. Ważny jest więc nie tylko materiał, z którego można wykonać brakujący lub wspomagający element, ale też powłoki ochronne pozwalające na wydłużoną trwałość takiego produktu.

Dużym wyzwaniem jest również proces korozji czy degradacji materiału. Produkty rozpadu materiałów, z których wykonany został implant, mogą być bowiem toksyczne dla organizmu. W przypadku stentów korozja może oznaczać zagrożenie dla życia pacjenta. Dlatego tak dużo wysiłku wkłada się m.in. w tworzenie kompozytów, nakładając na metale kolejne warstwy ochronne, nieraz o grubości zaledwie kilku czy kilkunastu nanometrów.

– Niezwykle cenna jest dla nas świadomość, że to, co robimy, naprawdę może komuś pomóc. Moim mentorem był nieżyjący już prof. Henryk Morawiec. Współpracując z chirurgami, opracował wraz z zespołem spinki i pierścienie dystrakcyjne do kranioplastyki – mówi prof. Tomasz Goryczka.

Stosuje się je u dzieci z deformacjami czaszki zagrażającymi prawidłowemu rozwojowi mózgu. Krótkoterminowy implant z pamięcią kształtu mocowany do czaszki dziecka przywraca jej prawidłowy kształt, stopniowo wracając do pierwotnej postaci. Co istotne, w przypadku tak zaprojektowanego implantu nie trzeba ponownie ingerować operacyjnie, wystarczy nacięcie, poprzez które implant jest wyciągany przez chirurgów.

– Miałem przyjemność rozpoczynać swoją pracę badawczą właśnie w zespole prof. H. Morawca, gdy trwały badania nad tymi implantami – dodaje naukowiec.

Nowych wyzwań w dziedzinie inżynierii materiałowej dostarcza w implantologii proces personalizacji związany z możliwościami druku 3D. Dziś dzięki technologiom przyrostowym na rynek wprowadzane są już implanty „szyte na miarę”.

– Musimy więc stworzyć odpowiedni „atrament” do drukarek 3D, aby można było dzięki nim drukować gotowe implanty dopasowane do ciała pacjenta. Są to specjalne proszki metaliczne o mikrometrycznych ziarnach, które powinny zachować swoje właściwości po stopieniu laserem w drukarce. To jest największe wyzwanie – wyjaśnia naukowiec.

Materiały, które opracowuje prof. Tomasz Goryczka, są wykorzystywane także w implantach stosowanych w weterynarii. Przykładem były badania implantów spajających załamane kości królików.

– W teorii proces zrastania się takiej kości po złamaniu trwa około trzech tygodni, po których opatrunek usztywniający powinien zostać zdjęty. W praktyce jednak wiele przypadków wymaga znacznie dłuższego okresu stabilizacji. Odpowiedzią na to wyzwanie stały się badania nad innowacyjnymi klamrami do łączenia kości, prowadzone we współpracy z prof. Tomaszem Szponderem z Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie oraz ekspertami ze Śląskiego Uniwersytetu Medycznego – mówi naukowiec.

Było to duże wyzwanie. Kość królika, szczególnie w obrębie kończyn tylnych, ma zaledwie milimetrową warstwę kory, pod którą znajduje się macierz szpiku. Zaprojektowany implant musiał być więc z jednej strony na tyle delikatny, by nie zmiażdżyć cienkiej kości, z drugiej – dość wytrzymały, by sprostać przeciążeniom generowanym skokami zwierzęcia.

Naukowcy zastosowali więc system klamer wykonanych ze stopu niklowo-tytanowego (NiTi) o zmodyfikowanej powierzchni. Aby wyeliminować ryzyko toksyczności niklu i reakcji alergicznych, implanty pokryto specjalnymi warstwami: antykorozyjną oraz ceramiczną. Badania przeprowadzone w kooperacji z Śląskim Uniwersytetem Medycznym potwierdziły, że po trzech miesiącach od wszczepienia implantu do organizmu nie przedostały się żadne szkodliwe produkty korozji. Efekty tych badań mogą być także wykorzystywane w projektowaniu materiałów do zastosowań w implantach dla człowieka. Oba organizmy, ludzki i zwierzęcy, mają bowiem wiele wspólnego.

– Z lekarzami łączy nas motto: primum non nocere. Wiemy, że efekty naszych prac będą wpływać na życie i zdrowie pacjentów. Wspominałem już o tym, że największym sukcesem jest dla mnie świadomość, że efekty naszych badań mają rzeczywiste zastosowanie, że naprawdę mogą poprawić komfort życia człowieka czy zwierzęcia – mówi prof. Tomasz Goryczka.

– Widok pacjenta, który dzięki naszej pracy wraca do zdrowia, lub wdzięczność właściciela psa czy kota, którego złamaną łapę udało się uratować dzięki nowoczesnej klamrze, to w zasadzie największe wyróżnienie. Choć futurystyczne wizje układania atomów jak klocków wciąż czekają na realizację, każdy udany zabieg przybliża nas do tej przyszłości – podsumowuje naukowiec.