V ortopedii je někdy třeba kost zafixovat kovovými šrouby, destičkami či dráty a po čase je zase operativně odebrat. Co kdyby se místo toho v těle prostě rozpustily? Biodegradabilní kovy zkoumá Jan Pinc z Fyzikálního ústavu AV ČR. O tématu se rozhovořil pro čtvrtletník Akademie věd ČR A / Magazín.
„Rez je pro lodě rakovinou.“ „Já vím, podlehlo jí kdysi moje kolo.“ Úryvek dialogu z hvězdného sitcomu Přátelé naznačuje téma tohoto článku. Koroze děsí majitele automobilů, jízdních kol nebo chat s plechovou střechou. Kovy se v náročných povětrnostních podmínkách doslova rozpadají. Prostředí lidského organismu je ještě složitější – tekutiny v něm neustále proudí, je tam poměrně teplo a hemží se to v něm ionty i rozličnými chemickými sloučeninami různých afinit, nábojů či „schopností“.
Léta proto trvalo najít ideální složení kovových součástek pro medicínu tak, aby se z nich v těle nic neuvolňovalo, a byly tak pro člověka bezpečné. Dnes se takové implantáty běžně používají. Když už tedy vědci a lékaři disponují perfektními slitinami, které podmínkám v živém těle skvěle odolávají, rozhodli se pro opačné řešení: najít kovové materiály, jež se naopak v organismu rozpadnou. Čert aby se v tom vyznal.
Účel je však nanejvýše praktický. V některých případech totiž lékaři voperují pacientovi ortopedické kovové součástky do těla pouze dočasně a později je nutné mu je pod narkózou vyjmout. Třeba při tříštivých či komplikovaných zlomeninách. Navíc, co když tkáň kromě hojení potřebuje ještě růst? U dětí se při fixacích kovovými spoji může kost vlivem růstu deformovat. A právě v těchto případech se nabízí myšlenka degradabilních kovů – materiálů, které jsou dost pevné na to, aby dokázaly kost fixovat, ale zároveň se „rozpadají“ v těle tak, aby se mimo jiné nemusely opět chirurgicky odstraňovat.
Vstřebatelné šrouby, destičky, dlahy… ale nemusíme zůstávat jen v ortopedii, hodily by se třeba degradabilní stenty v kardiologii. A pokračovat by šlo dál, vždyť 80 procent implantátů, které do sebe lidé dostávají, je vyrobeno z kovů. Rozložitelné materiály můžou mít mnoho výhod, jejich uvedení do praxe ale zatím brání několik překážek. „Především musejí být pro lidský organismus netoxické a bezpečné,“ vysvětluje Jan Pinc z Fyzikálního ústavu AV ČR, který na vývoji takových materiálů pracuje.
Kovy s problémy
U degradabilních kovů se jako nejnadějnější jeví hořčík, železo a zinek. Každý z nich má však své nevýhody. Hořčík při rozpadu uvolňuje vodík. V těle tedy vzniká plyn, který prostupuje tkáněmi (molekuly vodíku jsou velmi malé). „Dost možná se usazuje v tukové tkáni, ale nikdo to momentálně přesně neví, je to teprve předmětem výzkumů,“ říká Jan Pinc.
Nejde ovšem o jediný háček jinak lehkého hořčíku. V organismu se velmi rychle rozpadá. Až příliš. Běžná součástka pro ortopedii v těle musí přečkat dva až šest měsíců. Tak dlouho hořčík nevydrží. Na opačném pólu ze zmíněné trojice stojí železo – rozpadá se zase až příliš pomalu. Navíc i jeho produkty mohou tělu za určitých okolností škodit.
Nejpřínosněji zatím teoreticky vypadá zinek. Rozpadá se tak akorát (asi tři desetiny milimetru za rok) a produkty degradace nejsou toxické. Vypadá jako skvělý kandidát, až tak jednoduché to s ním ale bohužel není. Chybí mu totiž ideální mechanické vlastnosti. Pokud má součástka fungovat, musí si i během degradace stále udržovat kupříkladu potřebnou pevnost, aby dostatečně podporovala třeba zlomenou kost. Proto přicházejí na řadu slitiny. Jako základ slouží zmíněný zinek, do kterého se přidávají další kovy. Kombinace a poměry příměsí je třeba zkoušet a prověřovat, co výsledný materiál vydrží a jak se v těle bude chovat.
Bioreaktor a králíci z Nového Zélandu | Testování na živých organismech je pro použití jakéhokoli přípravku či implantátu povinné. „V rámci jednoho projektu jsme dělali testy na králičích modelech. Je nutné použít speciální novozélandské plemeno a pouze samce, aby výsledky nebyly ovlivňované samičími hormony. Je to celé enormně drahé a samozřejmě, když na něco dáte nálepku ‚vědecké‘, tak to stojí čtyřikrát tolik,“ popisuje Jan Pinc nákup savců pro testování. Z etických i čistě pragmatických důvodů se proto zaměřil na výrobu vlastního bioreaktoru, aby testy in vivo alespoň částečně nahradil.
Testování a zase testování
Téma je velmi komplikované a výzkumy jsou s nadsázkou řečeno v podstatě na začátku. A potřeba bude mnoho a mnoho testů. Jejich výsledky závisejí na řadě faktorů, mezi jinými na teplotě. Když vědci zkoušejí vlastnosti kovů při běžných podmínkách v laboratoři, mohou dostat zavádějící výsledky, protože součástky v praxi čeká prostředí v lidském těle, kde panuje 37 stupňů Celsia. „U některých kovů to nehraje až takovou roli. Zjistili jsme ovšem, že zrovna u mechanických vlastností zinku ano,“ vysvětluje Jan Pinc, který se hodně zaměřuje na testování možných budoucích implantátů.
Běžné zkoušky s buněčnými kulturami jsou nastavené na testování kovů, které se v těle rozpadat nemají (třeba již zmíněných titanových šroubů nebo kloubních náhrad). Mladý vědec podotýká, že pro biodegradabilní kovy však vhodné nejsou. Nedílnou součástí před případnými aplikacemi v praxi jsou pak testy materiálů in vivo, tedy v živém organismu. Jenže ty jsou – mimo jiné – velice nákladné.
Bylo by výhodné, kdyby se zkoušky v laboratoři přiblížily co nejvíce podmínkám, kterým bude součástka podléhat v živém organismu. „Mým cílem je proto vytvořit bioreaktor, který by simuloval podmínky toku, množství kyslíku v těle, teplotu a tak dále. Tyto věci se většinou při laboratorních zkouškách zanedbávají – korozní testování se třeba dělá prostým ponořením do kapaliny, což je dost odlišná situace, než jaké bude materiál vystavený ve skutečnosti v lidském těle,“ popisuje Jan Pinc.
Ing. Jan Pinc, Ph.D. | Fyzikální ústav AV ČR | Vystudoval biomateriály a metalurgii na VŠCHT. Působil na ČVUT, od roku 2018 je vědeckým pracovníkem Fyzikálního ústavu AV ČR v oddělení funkčních materiálů. Specializuje se na biodegradovatelné materiály na bázi zinku. Jeho cílem je minimalizovat testování na zvířatech, pracuje také s umělou inteligencí, rozvíjí spolupráci se zahraničními partnery a domácími výrobci kovových implantátů a snaží se o mezioborové propojení znalostí v oblasti implantologie. Popsal mechanismus degradačního chování slitin na bázi Zn-Mg, který byl zveřejněn v prestižním časopise Bioactive Materials. Letos obdržel prestižní Prémii Otto Wichterleho pro mladé talentované vědce.
Aby nebylo komplikací málo – podmínky nejsou stálé, ale mohou se měnit. Například pH: zmíněné kovy jsou stabilní při pH kolem sedmi. Pokud však tělo bojuje se zánětem, což není u poranění až tak neobvyklé, organismus v jeho místě pH sníží. A máme další proměnnou, která chování kovové biodegradabilní součástky může ovlivnit.
Výzvy dneška i zítřka
Jak vidno, kovy čeká v těle náročné prostředí a nelehký úkol stojí i před vědci. Čisté kovy se v podstatě použít nedají, z důvodů již zmíněných – nevýhod je příliš. Pracuje se tedy se slitinami. V podstatě se do kovu implementuje jiný kov. V materiálu vznikají takzvané fáze. Jakoby miniaturní zrníčka jiného kovu v matrici – v našem případě – zinku. V některém kousku je třeba atomů hořčíku více, v některém méně. Také jednotlivá místa se mohou v těle chovat odlišně, třeba se odbourávat jinou rychlostí. Může to trochu připomínat ementál. Nebo trojrozměrnou pavoučí síť.
Pro úpravu vlastností se pak používá například takzvaná extruze. Kov se protlačí přes jakýsi lis, něco jako domácí výrobník na těstoviny. Vzniklá „špageta“ pak má homogennější strukturu než původní slitina. Zároveň se tímto postupem dají měnit mechanické vlastnosti. Zpracování vede ke zmenšení zrníček a jejich specifickému uspořádání, resp. natočení v rámci struktury. Výsledný materiál pak může mít mechanické vlastnosti závislé na směru, ze kterého na něj působíme. Třeba jinou pevnost podle toho, zda na něj tlačíme zespodu nebo ze strany. „Právě to je velmi výhodná vlastnost – například při použití dlahy v noze, v níž na součástku v každém směru působí jiná síla,“ dodává Jan Pinc.
Vlastnosti – kupříkladu rychlost degradace – lze také změnit speciálním povlakem. Vědci ve Fyzikálním ústavu AV ČR se chystají ve spolupráci s kolegy z Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR a z Katedry materiálů FJFI ČVUT potáhnout součástky určitou polymerní vrstvou. Na příští rok též připravují evropský projekt v kooperaci s badateli z Francie.
Pro speciální aplikace se dá povrch kovu ostřelovat třeba ionty dusíku, které se začlení do povrchu materiálu. Uvnitř něj tak vzniknou enormní tlaky a v místech, kam dopadl dusík, se vytvoří miniaturní pór. „Jsme schopni připravit vysoce porézní nanometrové vrstvy, navíc rovnoměrné, o kterých přemýšlíme jako o nosičích léčiv,“ popisuje Jan Pinc. Jde o předběžnou myšlenku, kterou chce rozvíjet s kolegy z ČVUT a ze Slovenska.
Objevují se i nápady na 3D tisk. A to nemluvíme o sterilizaci daných součástek, která také není úplně jednoduchá. V podstatě lze říci, že výzev je před vědci ještě víc než dost.
Výhledy s otazníkem
Jan Pinc má k dispozici novou laboratoř na práškovou metalurgii, ve které se dá z kovových prášků namíchat přesný poměr pro kýženou slitinu. Vytvoří se spečením, resp. velmi vysokým proudem. Výhodou je, že takto vzniklý materiál může být poměrně porézní. Lze z něj vytvářet i odlehčená „lešení“ pro další výplně. Každá verze materiálu však musí nejen plnit předepsaný účel, ale fungovat jako celek.
Drátenictví 21. století | Ve Fyzikálním ústavu AV ČR umějí vyrobit speciální dráty z biodegradabilních slitin, které jsou tenké asi 300 mikronů. Aktuálně řeší jejich potažení polymerním povlakem. Takové dráty by se pak daly používat při zvláštních aplikacích. „Když si špatně zlomíte třeba prst na ruce uprostřed článku, tak vám tam navrtají dvě díry a svážou drátem. Také při operacích srdce se rozříznutý hrudní koš posléze svazuje pomocí drátů,“ popisuje Jan Pinc.
Vědci ve Fyzikálním ústavu AV ČR přemýšlejí o problému v celé komplexnosti, nestudují jen jednu izolovanou charakteristiku materiálu. Vytvářejí celofunkční systém, který by v těle opravdu fungoval. Vyvinuli například dlahu – malou destičku se speciálními šroubky.
„Chceme ji testovat z hlediska anizotropie mechanických vlastností – tedy mechanického zatěžování z různých směrů, a to nikoli jen každou část jednotlivě, ale jako celek. V souvislosti s tím je však nutné určit také degradační chování za stejných podmínek. Protože tam vzniká spousta dalších problémů,“ vysvětluje badatel.
Jedním z nich by mohlo být napojení destičky a hlavičky šroubku. Nutně mezi nimi vznikne maličká štěrbina do velikosti 10 μm, ve které bude docházet k omezené výměně iontů s prostředím. V daném místě se tudíž začne zvyšovat agresivita prostředí. Může se stát, že ve výsledku se příliš rychle poškodí hlava šroubku a odpadne. Celý systém dlahy by pak samozřejmě byl nefunkční.
Rez v těle | Kovy v těle samozřejmě nerezavějí stejně jako železné zábradlí před školou. Spíše se dá říct, že se rozpadají, nebo lépe řečeno rozpouštějí se. Na místech kontaktu s albuminem, aminokyselinami či anorganickými látkami se kov začne rozpouštět v podobě iontů do okolního prostředí. „Tam interaguje s dalšími ionty a na povrchu se začne vytvářet velmi tenká vrstva fosforečnanů. Ty, alespoň co se týče zinku, nejsou pro tělo škodlivé. Vznikne tak určitá bariéra, která lehce sníží korozní rychlost. Většinou ještě vznikají mnohem komplexnější sloučeniny, klíčové je, aby nebyly pro tělo toxické,“ vysvětluje Jan Pinc.
Výzvu představuje i šroubek sám. U titanového může operatér pořádně zabrat. Zinek je ale křehčí, mohl by se zlomit. Je tedy třeba myslet na to, aby materiál vydržel potřebné zacházení.
Celá problematika vyžaduje mezioborový a komplexní přístup k problémům. Jsou potřeba odborníci na kovy, další materiály (polymery, keramika), chemici, biologové, lékaři… Jednou se však pravděpodobně degradabilních kovových implantátů na bázi zinku v lidském těle, třeba právě pro ortopedické využití dočkáme. A „rezavění“ tak vezmeme pro daný účel na milost.
„S pokroky v umělé inteligenci věřím, že se dostaneme k tomu, že výběr materiálů, který teď děláme na základě vlastních zkušeností, se značně urychlí. Pak budeme schopni předpovídat vlastnosti jednotlivých slitin či materiálů, nebo přímo součástek předtím, než je vyrobíme,“ představuje si světlou budoucnost Jan Pinc.
Článek vyšel v čtvrtletníku A / Magazín (4/2024 (verze ke stažení)
