Tiskane izdaje
Umetni kostni vsadki izboljšajo gibalno sposobnost človeka s poškodovanim sklepom. Danes prednjačijo bioinertni vsadki iz titanove zlitine, ki jih organizem večinoma zgolj tolerira, zato se razmeroma počasi in omejeno zraščajo s kostjo. Raziskovalci z odseka za nanostrukturne materiale na Institutu Jožef Stefan (IJS) pa so razvili bioaktivno prevleko (bioaktivno steklo) za titanove vsadke in s tem dosegli pospešeno vraščanje kostnega tkiva na njihovo površino.
Pod imenom »steklo« razumemo prozoren ali vsaj prosojen material, ki ga uporabljamo za okna, kozarce in podobno. Zato se morda sliši čudno, da se tak material lahko s pridom uporablja tudi v človeškem telesu. Idejo je že pred približno 40 leti razvil prof. Larry Hench, ki so ga pripovedi o številnih amputacijah zaradi zavrnitve raznih kostnih vsadkov spodbudile k razmišljanju o materialu, ki ga telo ne bi zavrnilo.
Ker je prof. Hench strokovnjak za stekla, je bil odgovor na dlani. Raziskave so potrdile domnevo, da je nekristaliziran silicijev oksid, ki je glavna sestavina stekla, v kombinaciji s kalcijem in fosforjem biološko aktiven material, ki lahko pospeši obnovo kosti. Material je Hench angleško imenoval »bioglass« (biosteklo), saj je bil po osnovnih značilnostih, načinu priprave in sestavi zelo podoben steklu za druge vrste uporabe. Tako sestavo materiala kot tudi njegovo ime je patentno zaščitil in pri ameriški upravi za hrano in zdravila FDA pridobil potrditev ustreznosti za biomedicinsko uporabo.
Bioaktivno steklo je hitro pritegnilo precejšnjo pozornost medicinske stroke, vendar do nedavnega zaradi nekaterih pomanjkljivosti (na primer slabe mehanske trdnost) do množične klinične uporabe še ni prišlo. V zadnjem času se pojavlja v nekaterih zobnih pastah, sredstvih za beljenje zob itd., poteka pa tudi veliko raziskav za povečano uporabnost bioaktivnega stekla pri obnovi mehansko obremenjenih delov kosti. Ena od »vročih« tem raziskav je na primer priprava razgradljivih biološko aktivnih nosilcev za matične celice v tkivnem inženirstvu.
Začasna opora pri obnovi kosti
V primeru kostnega defekta, ki nastane denimo po odstranitvi dela obolele kosti ali pa v čeljusti po odstranitvi več sosednjih zob, se včasih praznine skoraj ni dalo zapolniti, zato tudi vstavljanje zobnih vsadkov ni bilo mogoče. Praznino pa je mogoče zapolniti s polnilom, ki služi kot začasna opora celicam, da zgradijo novo kost. Kot bioaktivno polnilo se lahko uporabijo porozne kroglice iz hidroksiapatita, ki so bodisi neposredno vsajene v kostni defekt ali pa prej naseljene s pacientovimi celicami. Slabost takega polnila je, da se v telesu razmeroma počasi razgradi ali se sploh ne, zato je uspešnost postopka včasih omejena.
Vse več pozornosti privablja tudi porozno polnilo iz bioaktivnega stekla, ki se v fiziološkem okolju razmeroma hitro in v celoti resorbira. Pri tem v okolico dovaja elemente, ki spodbujajo razmnoževanje kostnih celic, zavirajo razvoj bakterij in spodbujajo ožiljenje. Pri tem je zlasti pomembna vloga silicija, fosforja in kalcija, ki so v različnih vrstah bioaktivnega stekla v različnih razmerjih, ključna za dobro resorpcijo pa je amorfna (nekristalinična) struktura materiala.
Sodelovanje raziskovalcev in proizvajalcev
Bioaktivno steklo se trenutno uporablja predvsem kot polnilo kostnih defektov, saj žal nima dovolj visoke mehanske trdnosti, da bi ga lahko uporabili tudi za začasno oporo pri poškodbah ali boleznih večjih mehansko obremenjenih kosti. Vendar je še zlasti vabljiva zamisel, da bi z njegovo pomočjo pospešili vraščanje večjih protez, na primer kolčne, kolenske, ramenske itd., kjer je hitra sposobnost prenašanja mehanske obremenitve še posebno pomembna.
Skupina raziskovalcev na belgijski Katoliški univerzi v Leuvnu (KUL), s katero Institut Jožef Stefan sodeluje že vrsto let, je predlagala izboljšanje vraščanja proteze z bioaktivnim nanosom na del vsadka, ki je v neposrednem stiku s kostjo (pri umetnem kolčnem sklepu sta to deblo, pritrjeno v stegnenico, in čašica, pritrjena v medenico). Predlog mednarodnega projekta Meddelcoat (6. OP) je predvideval prekrivanje vsadka iz titanove zlitine s slojem iz poroznega titana, v katerem bi bile pore v notranjosti prevlečene z bioaktivnim materialom, ki bi spodbudil rast kosti v pore in s tem prispeval k izboljšanju stika vsadka s kostjo. Idejo je konzorcij trinajstih partnerjev prepričljivo predstavil evropski komisiji in pridobil sredstva za razvoj prevleke na ortopedskih in zobnih vsadkih. V konzorcij so bili poleg štirih raziskovalnih skupin (med njimi odsek za nanostrukturne materiale na Institutu Jožef Stefan) vključeni še evropsko združenje proizvajalcev vsadkov in sedem manjših podjetij, med njimi slovensko Helipro, d. o. o.
Porozno titanovo prevleko, ki na površini titanove zlitine skrbi za trdnejši spoj kosti in kovine, so nanesli v švicarskem podjetju Alhenia. Uporabili so postopek vakuumskega naprševanja, vzporedno pa so na Univerzi v Leuvnu razvili nov, izboljšan postopek s pomočjo elektroforetskega nanašanja. Za izboljšanje lastnosti je pomembna predvsem dodatna, bioaktivna prevleka iz snovi, ki je po sestavi in lastnostih sprejemljiva za človeški organizem in se v njem v celoti resorbira, produkti raztapljanja pa spodbujajo rast kosti. Po prvotni zamisli projekta bi kot material za prevleko uporabili hidroksiapaptit, bioaktivno steklo ali kompozit obeh, vendar so raziskave pokazale, da je bioaktivno steklo obetavnejše od drugih možnosti.
Odlični rezultati
Kot večina vrst stekla so tudi bioaktivna stekla najpogosteje pripravljena s taljenjem oksidov in mletjem ohlajene taline, pri čemer dobimo delce v obliki črepinj in velikosti nekaj deset mikronov. Ker pa je bil cilj projekta pripraviti prevleko iz bioaktivnega stekla v majhnih porah poroznega sloja titana, je bilo treba pripraviti še manjše delce in se zato lotiti priprave drugače.
Mladi raziskovalki Nataši Drnovšek z odseka za nanostrukturne materiale IJS je pod mentorskim vodstvom podpisane uspelo razviti nov, prilagojen postopek sinteze bioaktivnega stekla iz raztopine in tako pripraviti delce velikosti pod 100 nanometrov. Pridobljene delce so s sodelavci dispergirali v tekočini in s pripravljeno suspenzijo impregnirali pore v površinskem sloju vsadka.
V okviru mednarodnega projekta je bila nato opravljena vrsta analiz in testiranj: naša raziskovalna skupina na IJS je potrdila odlično trdnost spoja prevleke s podlago, dobro omočljivost in sposobnost tvorbe hidroksiapatita v simulirani telesni tekočini, belgijska skupina KUL-Rega je preverila antibakterijsko delovanje, francosko podjetje LEMI je testiralo odziv kostnih celic v laboratoriju, vse pridobljene podatke pa je z metaanalizo obdelala raziskovalna skupina s finske univerze Aalto.
V zadnji fazi projekta je bila učinkovitost bioaktivnega stekla potrjena tudi z bistveno izboljšanim vraščanjem kosti v vsadek z bioaktivnim steklom. Podrobna metalografska in histološka analiza sta potrdili, da se bioaktivno steklo, pripravljeno na IJS, v fiziološkem okolju v desetih tednih povsem resorbira.
Na njegovem mestu je v porah titanove prevleke nastala nova mineralizirana kost, in sicer v dvakrat večjem obsegu kot v porah titanove prevleke brez bioaktivnega stekla.
Kako naprej
Z razvojem novega postopka priprave bioaktivnega stekla smo slovenski raziskovalci prispevali k napredku ortopedskih vsadkov. S tem pa se naše delo ni končalo.Zaradi odlične bioaktivnosti ima namreč nova vrsta bioaktivnega stekla z majhnimi delci in izboljšanimi lastnostmi velik potencial tudi pri nekaterih drugih, sorodnih področjih.
V nadaljnjih raziskavah, ki potekajo v okviru mednarodne akcije COST in s podporo ARRS, bomo raziskovalci IJS preverili tudi njegovo bioaktivnost v nosilcih celic pri obnovi trdih tkiv.
Dr. Saša Novak, Institut Jožef Stefan, Ljubljana
