O povlakování materiálů vrstvami oxidu titanu s vysokou smáčivostí, na kterých se netvoří kapky, jsme na Oslu již psali. Stejně tak jsme vás informovali o fotokatalytických vlastnostech těchto povrchů, které vedou k oxidační dekompozici organických molekul. To znamená, že na takovém povrchu dochází působením ultrafialového záření k samočistící schopnosti. Nápad využít vlastností těchto nanokrystalických materiálů k úpravě povrchu ortopedických implantátů, je však něčím zcela novým.
Thomas Webster je docentem techniky na Brown University. Je vedoucím projektu, jehož výsledky nyní zveřejnil časopis pro výzkum materiálů pro biomedicínu. V podstatě jde o jednoduchou věc -pouhou úpravou povrchu se implantáty stávají bezpečnější a v organismu vydrží delší dobu.
Na myšlenku vylepšit vlastnosti implantátů přivedla Webstera statistika, kterou zveřejnila Americká společnost ortopedických chirurgů. Vyplynulo z ní, že již před čtyřmi roky dosáhl počet Američanů, kteří se podrobili náhradě kyčelního, kolenního, nebo ramenního kloubu, již téměř jednoho milionu. Jeden až dvě procenta pacientů ale pravidelně postihuje infekce. Většinou jde o stafylokokovou infekci (S. epidermidis). Jde o infekci, kterou lékaři zjišťují na kůži nebo v hlenech pacientů. Stafylokoky se buďto při chirurgickém výkonu, nebo později krevním řečištěm, dostávají do místa, kde je implantát. Na něm nachází tyto škodlivé baktérie vhodný povrch pro uchycení a vytvoří na něm tenkou vrstvu. Bakterie postupně pokryjí celý implantát vrstvou, které se říká „biofilm“. Jde o strukturu, která odolává atakům imunitního systému. Bakterie v takovém filmu odolávají chemickým vlivům a dokonce i léčbě antibiotiky. Prakticky neexistuje jiná možnost, než takto postižené místo chirurgicky znovu otevřít, vyčistit a provést výměnu implantátu.
Delší dobu se ví, že zdrsnění povrchu implantátu usnadňuje jeho zarůstání do kosti. Toto zdrsnění na úrovni „mikro“ se již delší dobu používá. Zvětšení povrchu ale s sebou také přineslo zvýšení rizika uchycení většího množství baktérií. Webstera napadlo zvolit k těmto povrchovým úpravám nanotechnologii. Výstupky a prohlubně v rozměrech „nano“ mají za následek mnohem větší zvětšení povrchu umělé součástky a tedy i více příležitostí pro uchycení buněk tvořící kostní tkáň – osteoblasty. Novum v přístupu Websterova týmu je, že k dodatečnému zdrsnění povrchu plochy předmětu zvolili oxidy zinku a titanu. Oxid zinečnatý a oxid titaničitý jsou totiž látky, o nichž se ví, že mají antibakteriální účinky.
Funkčnost svého nápadu si vědci již ověřili pokusem. Dali stafylokokové baktérie na terč a po určitém čase počítali baktérie, které na něm rostly. Výsledek byl jednoznačný. Na mikrostrukturovaném povrchu napočítali tisíckrát více baktérií než na stejném povrchu, který byl upraven technikou vytváření nanostruktur pomocí nanokrystalů oxidu zinečnatého. Podobný efekt snížení počtu bakterií, i když ne tak dramatický, byl pozorován na ploše teče pokryté oxidem titaničitým. Také zde nanostruktury poskytly prostor k životu baktériím, jejichž počet byl o několik řádů nižší než povrch zdrsněný mikročásticemi.
Vědcům ještě zbývalo vyloučit případnou možnost, zda vylepšení antimikrobiálních vlastností povrchu implantátů zmíněnou nanotechnologií, nějakým neznámým mechanismem, nezhorší schopnost tohoto materiálu „zarůstat“ do kosti. Vědci proto udělali obdobné pokusy s osteoblasty, jako předtím provedli s baktériemi. Obavy se rozplynuly. Buňky kostní tkáně rostly na povrchu upraveném nanostrukturou dvojnásobně rychle. Příznivý efekt vykázal nanostrukturovaný povrch také co do schopnosti růstu buněk tvořících kolagen.
Úprava povrchu implantátů, kterou vědci nazvali nanostrukturování, spočívá v mnohonásobném zvětšení povrchu materiálu. V tomto případě byly použity nanokrystaly oxidů zinku a titanu. U těchto sloučenin se zjistilo, že tělním buňkám neškodí. Zvětšení povrchu, kterého se s jejich pomocí dosáhne, přispívá k uchycení buněk zajišťujících obnovu kostní tkáně, stejně jako buněk majících na starosti obnovu pojivové tkáně. Zvětšení povrchu těmito látkami navíc zlepší antimikrobiální vlastnosti implantátu. To zamezí tvorbě biofilmů na jejich povrchu a přispívá k omezení rizika bakteriálních pooperačních komplikací. Jde o techniku, která má všechny předpoklady se v ortopedii rychle uchytit, a možná i jinde.
Pramen: Brown Univ., Rhode Island, USA
Diskuze:
