V Brně testují unikátní kombinaci titanu a hydroxyapatitu pro jednodušší regeneraci kostí

Úraz a fraktura kosti – v nejlepším případě jen sádra, při komplikovanější zlomenině je nutná operace. Pro náhradu kostní tkáně se používají různé materiály přírodního nebo syntetického původu. Jedním z implantačních materiálů jsou kostní cementy na bázi fosforečnanu vápenatého (CPCs). Při smíchání s kapalinou vytvoří pastu, která je schopná se po injekční aplikaci do kosti sama vytvrdit. Tuhnutím vzniká hydroxyapetit, minerál, který pomáhá kost zacelit. Vědkyně z CEITEC VUT Adelia Kashimbetová a její kolegové jsou průkopníky ve zpracování CPCs pro hojení kostí a aditivní výrobu (3D tisk). Přitom zjistili, jak tento materiál připravit, aby měl co nejlepší mechanické vlastnosti. Výsledky jejich výzkumu vydal prestižní časopis Ceramics International. 

Úspěch už při studiu

Adelia Kashimbetová studuje na CEITEC VUT v PhD programu Advanced Materials and Nanoscience. Pod vedením Edgara Montufara se ve výzkumné skupině Pokročilých materiálů a povlaků pro průmysl v současnosti zabývá biomimetickým zpracováním kompozitů titanu a hydroxyapatitu. Právě v tomto spojení vidí budoucnost v oblasti kostních implantátů. „Studie, které zkoumaly kompozity titanu a hydroxyapatitu, už jsou, to spojení není nové. Hlavním problémem ale byla nežádoucí reakce mezi těmito materiály, když se zpracovávaly za vysokých teplot. Biomedicína by takové materiály nedovolila. Takže jsme se snažili najít alternativní přístupy zpracování. Využíváme toho, že cement na bázi fosforečnanu vápenatého tuhne a ztvrdne hydrolýzou při fyziologické teplotě a vytvaruje se, jak potřebujeme,“ vysvětluje Kashimbetová. Oproti třeba keramice, která se při implantátech taky používá, je titan prý levnější, tvrdší a nerozbije se. Taky má mechanické vlastnosti podobné kosti. „Je to prostě nejlepší kandidát,“ obhajuje s úsměvem Adelia výběr materiálu. 

Kostní implantát z kompozitu titanu a hydroxyapatitu si lze představit jako 3D titanovou mřížku, která slouží jako kostra (vědci taky používají termín scaffold/skafold, v překladu lešení). Do děr se vloží pasta z cementu na bázi fosforečnanu vápenatého. Při hydrolýze vzniknou krystaly hydroxyapatitu, které prorostou titanovou mřížkou, a vznikne celistvý implantát. Takový implantát se pomocí operace vloží na místo chybějícího úseku kosti, např. stehenní. Titan slouží jako mechanická opora, zatímco hydroxyapatit poskytuje multifunkčnost v podobě bioaktivity, osteokonduktivity a osteoinduktivity, díky čemuž se kost zahojí a dotvoří do cca 6 týdnů. „Výhodou celého procesu je jeho jednoduchost. Nepotřebujeme mnoho náročných kroků, personál, drahé přístroje nebo extra peníze, abychom dosáhli cíle. Díky 3D tisku vyrábíme personalizované implantáty. Stačí nám vlastně pasta, která tuhne ve vodě,“ zobecňuje Adelia. 

Za předmět zkoumání svého doktorského studia navíc vyhrála před dvěma lety prestižní soutěž Brno Ph.D. Talent. Dalším úspěchem byla pro ni publikace již zmíněného článku. „Bylo to poprvé, co se mé jméno objevilo na prvním místě studie, a v tak vlivném časopise. Je to pro mě obrovský úspěch,“ dodává. Teď navíc odjela na stáž do Barcelony, kde se skupinou dalších studentů zkoumají různé biomateriály, včetně titanu a hydroxyapatitu. Do titanu navíc přidávají kovové ionty, které mu dodávají antibakteriální vlastnosti. 

Čím jemnější, tím lepší

V publikované studii se Adelia Kashimbetová a její kolegové zaměřili jen na hydroxyapatit, který je biokompatibilní, do kosti injektovatelný a bioresorbovatelný. Vzniká hydrolýzou cementu na bázi fosforečnanu vápenatého (CPCs). Stále se zkoumá, jak zlepšit jeho mechanické, osteokonduktivní nebo např. antibakteriální vlastnosti. Atraktivní je využití tohoto minerálu už kvůli tomu, že se v kostech vyskytuje.

Adelia s kolegy zkoumala vliv podmínek tuhnutí na mechanickou pevnost hydroxyapatitu. Využila k tomu různě velké částice cementu – jemné, středně velké a velké částice prášku. Následně je nechala hydrolyzovat za různých teplotních podmínek a různé doby trvání. Hydrolýzou vznikaly různě velké a tvarované krystaly hydroxyapatitu. Výsledné vzorky testovala a porovnávala jejich vlastnosti – kompozici, mikrostrukturu, mechanické vlastnosti apod. Mimo jiné zjistila, že čím menší prášek, tím se vytvoří silnější hydroxyapatitový monolit za nižší teploty, což umožňuje zcela vynechat jakékoli zahřívání při zpracování. „Při nižší teplotě se vytvářely ve větší míře deskovité krystaly, kdežto při zvýšení teploty se vytvářely dominantněji jehlicovité krystaly. První tvar krystalů má lepší mechanické vlastnosti, je pevnější než ostatní. Naše zjištění mají řadu důsledků pro zpracování kostních implantátů,“ vysvětluje Adelia.    

Biomedicína vyžaduje nejnovější a nejlepší 

I po doktorském studiu se Adelia Kashimbetová i nadále vidí ve výzkumu biomateriálů kostních implantátů. Podle ní bude vždycky co dělat kvůli tomu, že biomedicína potřebuje stále něco nového a lepšího. Poptávka prý neustále roste. Navíc se musí reagovat na aktuální situace jako stárnutí populace nebo zvyšující se výskyt obezity. To vše vede k častějším chorobám kostí – osteoporóza apod. „Musí tady být vždycky řešení, jak pomoct těmto lidem. I proto mám tento obor ráda a chtěla bych v něm pokračovat,“ uzavírá Adelia Kashimbetova. 

Zdroj: CEITEC
Autor: Kristýna Březovská
ilustrační foto: pixabay.com