Nad materiałami, które mogłyby zastąpić kości i wspomóc ich regenerację pracują naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. W najnowszym projekcie spróbują zmusić materiały do walki z bakteriami.
Ubytek kostny może powstać w wyniku wypadku albo interwencji chirurgicznej, koniecznej ze względu np. na chorobę nowotworową. Niezależnie od przyczyny powstania ubytku pojawia się ten sam problem – ograniczona zostaje sprawność i normalne funkcjonowanie pacjenta. Niestety, ubytek nie zawsze jest w stanie zregenerować się samoczynnie. Zespół Bioceramiczny AGH na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki od lat prowadzi badania naukowe nad innowacyjnymi materiałami stosowanymi do wypełniania ubytków kostnych. Niektóre z nich są z powodzeniem stosowane w medycynie. Na przykład FlexiOss®, czyli biomateriał kościozastępczy, opracowany we współpracy z Uniwersytetem Medycznym w Lublinie i nazywany potocznie „sztuczną kością”, w znacznej części opiera się na mikroporowatych granulach hydroksyapatytowych, opatentowanych właśnie przez AGH.
Prace nad materiałami kościozastępczymi skupiają się obecnie na połączeniu zalet związków syntetycznych oraz naturalnych, tworzących materiały hybrydowe. Bazę tych biomateriałów często stanowią fosforany (V) wapnia oraz materiały polimerowe. Tego typu materiały, odpowiednio zastosowane, mogą wspierać, a niejednokrotnie również indukować regenerację tkanki kostnej. Ich ostateczne właściwości zależą od właściwości tworzących je komponentów oraz ich wzajemnych interakcji. Jednym ze stosowanych w medycynie fosforanów (V) wapnia jest hydroksyapatyt, który wykazuje duże podobieństwo składu chemicznego i struktury mineralogicznej do nieorganicznej składowej tkanki kostnej. W najnowszym projekcie, finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu MINIATURA, badacze skupią się na opracowaniu materiału hybrydowego w formie granul o właściwościach bakteriobójczych.
Jedną z inspiracji dla tego pomysłu były prace badawcze Zespołu Bioceramicznego dotyczące wykorzystania granul hydroksyapatytowo-polimerowych jako komponentów materiałów kościozastępczych. Otrzymywanie biomateriałów w postaci granul jest trudne i czasochłonne. Wykazano jednak, że jeśli do ich wytworzenia wykorzystana zostanie metyloceluloza, to materiał będzie samoczynnie formował się w granule.
Granule mogą być na tyle duże, że widać je gołym okiem. Ich rozmiary sięgają od 100 mikrometrów do nawet 1000 mikrometrów, czyli 1 milimetra. Naukowcy najczęściej wykorzystują granule z zakresu 300–400 mikrometrów, ale niewykluczone jest stosowanie innych rozmiarów. Po umieszczeniu granul w ubytku kostnym, będą one mogły stanowić rusztowanie dla odbudowującej się tkanki – tłumaczy dr inż. Joanna Czechowska z Zespołu Bioceramicznego AGH.
Opracowywane hybrydowe granule mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie jako nośniki leków i substancji biologicznie czynnych w terapiach celowanych. Leki i substancje biologicznie czynne umieszczone w hybrydowych granulach mogłyby uwalniać się dopiero w miejscu implantacji. To pozwoliłoby uniknąć ich ogólnoustrojowego działania, które często prowadzi do wystąpienia skutków ubocznych.
Innym sposobem wykorzystania granul jest ich zastosowanie jako komponentów materiałów kościozastępczych. Ze względu na to, że ubytki kostne, szczególnie te powstałe w wyniku wypadków, prawie zawsze mają nieregularny kształt, do ich uzupełniania przydatne są materiały, które można łatwo formować i dostosować do kształtu ubytku oraz szczelnie wypełnić nimi przestrzeń. Do materiałów poręcznych chirurgicznie należą cementy kostne, które po połączeniu fazy ciekłej i stałej przybierają konsystencję łatwo formowalnej pasty. Zespół Bioceramiczny AGH od wielu lat pracuje nad materiałami wiązanymi chemicznie opartymi o fosforany (V) wapnia. Dzięki wprowadzeniu do cementów kostnych kruszyw w postaci hybrydowych granul można uzyskać materiały kościozastępcze, tzw. biomikrobetony, o nowych interesujących właściwościach.
Dr inż. Joanna Czechowska planuje opracować sposób otrzymywania nowych hybrydowych granul na bazie hydroksyapatytu i metylocelulozy, które miałyby właściwości bakteriobójcze. W tym celu zamierza również wykorzystać polimer o działaniu antybakteryjnym i miedź (która także posiada właściwości antybakteryjne). Niewykluczone, że dojdzie do efektu synergii i dzięki temu opracowane hybrydowe biomateriały będą bardzo skuteczne w zwalczaniu bakterii. Celem projektu będzie wstępna ocena fizykochemiczna i biologiczna materiałów hybrydowych.
Będę otrzymywać granule na bazie metylocelulozy i hydroksyapatytu, modyfikowane polimerem o właściwościach antybakteryjnych i miedzią – wyjaśnia. – Teoretycznie przewiduję, że metyloceluloza i hydroksyapatyt będą tworzyć układy hybrydowe, natomiast konieczne będzie sprawdzenie, w jaki sposób dodatek polimeru o działaniu antybakteryjnym wpłynie na proces samoorganizacji materiału, ze względu na możliwość tworzenia się kompleksu polielektrolitowego. W ramach projektu będę poszukiwać również odpowiedzi na pytanie, jaki skład pozwoli osiągnąć optymalne właściwości fizykochemiczne kompozytu przy zachowaniu właściwości samoorganizujących? Zrozumienie mechanizmu formowania się granul oraz oddziaływań pomiędzy komponentami pozwoli nie tylko na optymalizację procesu ich otrzymywania, ale w przyszłości także na zaprojektowanie sposobu wprowadzania do nich leku – zapowiada liderka projektu.
źródło: AGH