Aktuality

Současná medicína je nucena používat celou řadu umělých náhrad kloubů, kostí a jiných částí těla jako fixaci nebo náhradu. Nejčastějšími důvody jsou závažná onemocnění a nepřiměřené namáhání, které může být způsobeno obezitou, úrazem nebo nevhodně zvolenými pohybovými aktivitami. Potřeba implantátů bude zřejmě narůstat. Vědci proto hledají nové vhodné materiály a metody povrchových úprav, které budou schopné pozitivní interakce s tělem a tím zajistí i lepší funkčnost implantátů.

Ověřování reakcí biologického prostředí na cizorodý předmět nebo také opačně – reakcí implantátu na živou tkáň probíhá vždy v zóně styku povrchu implantátu s živou tkání. V případě kovových implantátů však není rozhraní tvořeno materiálem, z něhož je implantát vyroben. Současně platí, že z většiny bioaktivních, a také některých bioinertních materiálů, nelze implantát vyrábět přímo. Proto je potřeba na povrchu implantátu vytvářet vrstvy s vhodným chemickým složením nebo kvalitu povrchu jinak upravovat. Cílenou a řízenou oxidací je možné připravovat strukturované povrchy se specifickými vlastnostmi. Titan, ve srovnání např. s korozivzdornými ocelemi, nabízí vyšší poměr pevnosti k hmotnosti, zvýšenou odolnost proti korozi a cennou schopnost oseointegrace v lidském těle. V případě oxidace titanových slitin jde zejména o zlepšení biokompatibility a tím urychlení hojení voperovaných implantátů.

Ing. Jan Krčil z Ústavu materiálového inženýrství Fakulty strojní ČVUT v Praze se ve své disertační práci zaměřil na povrchové úpravy titanových slitin určených pro užití v lékařství, specificky na možnosti úprav povrchu těchto slitin metodami řízené oxidace. Cílem provedených experimentů bylo zejména: 

• Pomocí termické a anodické oxidace připravit povrchové vrstvy na nových β-titanových slitinách a porovnat tyto vrstvy s vrstvami připravenými na konvenčních slitinách Ti.
• Metodou anodické oxidace vytvořit nový strukturovaný povrch na slitinách Ti-6Al-4VELI, TI-39Nb, Ti-35Nb-2Zr a Ti-25Nb-4Ta-Sn.
• Hodnotit biologickou aktivitu připravených oxidických vrstev pomocí růstu kalciumfosfátové vrstvy podobné hydroxylapatitu.
• Na vybraném vzorku provést hodnocení biologické aktivity oxidovaného povrchu pomocí kolonizace buňkami lidské osteoblastní linie – MG-63.

V rámci experimentů si autor práce připravil oxidické vrstvy na vybraných vzorcích konvenčních slitin titanu i na skupině reprezentující nové perspektivní β-slitiny, legované Nb, Ta, Zr a Sn. Pro experiment byly použity vzorky ze všech hodnocených slitin, u kterých byl připraven definovaný povrch broušením a leštěním. Na těchto vzorcích autor posléze připravil a hodnotil povrchové oxidické vrstvy. Oxidické vrstvy připravené metodami termické a anodické oxidace poté hodnotil z hlediska stavu jejich povrchu, tedy zbarvení, drsnosti, morfologie, tloušťky, chemického složení struktury a biokompatibility. Zjistil, že pro různé slitiny titanu je nutné používat odlišné postupy oxidace, což je důležité zejména pro nové β-slitiny obsahující větší množství prvků, jako jsou např. niob a tantal. Dalším podstatným zjištěním bylo, že povrchovou morfologií lze zásadně ovlivnit vlastnosti oxidických vrstev a jejich interakce s buňkami, kostí, tkání. Je tedy vhodné pro každý typ oxidické vrstvy definovat charakter jejího povrchu. Analýza chemického složení ukázala, že oxidické vrstvy jsou tvořeny primárně TiO₂, bez výraznější závislosti na chemickém složení slitiny nebo metodě oxidace. V závislosti na oxidované slitině pronikají do povrchové vrstvy také legující prvky dané slitiny.

V další části experimentu autor hodnotil bio-vlastnosti všech oxidovaných vzorků. V prvním kroku přistoupil k modelové simulaci růstu kosti podobné vrstvy v tzv. Hanksově roztoku, který je komerčně dostupnou variantou simulované tělní tekutiny. Překrývání povrchu oxidovaných vzorků hydroxylapatitovou vrstvou, potažmo vrstvou sloučenin Ca+P+Mg, představuje simulaci růstu kosti v lidském těle a umožňuje porovnávat a hodnotit schopnosti materiálů reagovat s tkání.

Druhou metodou, kterou použil k hodnocení bio-vlastností oxidovaných materiálů je přímá interakce s buňkami, tzv. cytokompatibilita povrchu. Z hodnocení cytokompatibility vyplývá, že v případě neoxidovaného vzorku Ti-6Al-4V ELI bylo kolonizováno 56,9 % povrchu a v případě anodicky oxidovaného vzorku více. Výsledky kolonizace povrchu anodicky oxidovaného vzorku ukazují, že v porovnání s neoxidovaným vzorkem dochází k většímu překrytí povrchu buňkami.

Ze závěrů vyplývá, že vznik povrchové struktury u Ti-6Al-4V ELI navyšuje biologickou aktivitu buněk. Dále, že kolonizace buněk na povrchu anodicky oxidovaného vzorku slitiny Ti-6Al-4V ELI prokazuje příznivý vliv povrchové morfologie na aktivitu buněk. Tato zjištěná fakta jsou dalším podkladem pro pokračování výzkumu materiálů pro výrobu a úpravu implantátů. Autor doporučuje v rámci dalších experimentů provést oxidaci totožných slitin za jiných podmínek, optimalizaci oxidačních parametrů pro jednotlivé slitiny a v případě β-titanových se podrobněji zaměřit na vliv krystalografické struktury na růst oxidické vrstvy.

Autor při svých experimentech spolupracoval s lékaři i s výrobci implantátů, což není u disertačních prací běžné. Hodnocení cytokompatibility bylo realizováno ve spolupráci s Laboratoří tkáňových kultur v Nových hradech a Stomatologickou klinikou Lékařské fakulty Masarykovy univerzity a Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně.
Závěry práce nezůstaly jen na papíře, ale jsou využívány k modifikacím povrchu u specifických aplikací. Metoda anodické oxidace byla využita k nanostrukturování TiNb povlaku naneseném na polymeru. Aktuálně byl publikován článek na webu www.sciencedirect.com a tato metoda byla následně použita k modifikaci reálného implantátu, který byl vyroben 3D tiskem. To vše proběhlo v rámci spolupráce s firmou ProSpon, která je jedním z tuzemských výrobců lékařských implantátů a nástrojů.

Další odkazy na zpracovaný výzkum:

• http://cspzl.dent.cz/artkey/sto-201903-0005_the-cytocompatibility-of-anodized-surfaces-for-implant-materials.php
• http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522009340