Czy aminokwasy mogą hamować korozję implantów medycznych? Odpowiedzi na to pytanie szukają badacze z Akademii Górniczo-Hutniczej i Instytutu Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk.
Korozja stanowi powszechne zjawisko i poważny problem, który powoduje ogromne straty w wielu branżach przemysłowych, m.in. energetycznej, samochodowej, spożywczej, chemicznej, ale również w medycynie. W ostatnich dziesięcioleciach, przemysł dotyczący medycznych implantów gwałtownie się rozwinął, co poprawiło znacząco jakość życia milionów ludzi.
Do produkcji implantów stosuje się różne materiały, które w określonych ramach czasowych powinny spełniać wyznaczone funkcje: posiadać określone właściwości mechaniczne (wytrzymałość, odporność na ścieranie itd.), być biozgodne z organizmem człowieka oraz odporne na korozję. Najczęściej stosowane są metale oraz ich stopy, z tego względu w swoich badaniach skupiłam się na takich powierzchniach metalicznych, jak m.in. stal nierdzewna i tytan. Niestety, w wyniku kontaktu metalowych implantów z płynami ustrojowymi na powierzchni metalicznej zachodzą różne reakcje chemiczne, które prowadzą do ich niszczenia. W wyniku tego procesu do organizmu uwalniane są związki toksyczne, co może stać się przyczyną rozwoju różnego rodzaju infekcji czy nawet nowotworów. Wymiana zniszczonych implantów jest z kolei kosztowna i wymaga złożonych i obciążających pacjenta zabiegów – tłumaczy dr Dominika Święch z Katedry Chemii i Korozji Metali na Wydziale Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Prace, które koordynuje badaczka z AGH, mają na celu lepsze zrozumienie procesów korozyjnych oraz znalezienie skutecznych metod ich hamowania. Jednym ze sposobów jest modyfikacja powierzchni materiału wykorzystywanego w implantologii poprzez zastosowanie inhibitorów. Badane materiały są modyfikowane m.in. za pomocą nanocząsteczek złota oraz miedzi, które posiadają potencjalne właściwości antykorozyjne i antybakteryjne. Co więcej, wzmacniają sygnał spektroskopowy podczas badania procesów zachodzących na interesujących uczonych powierzchniach. Ich nanoszenie odbywa się pod nadzorem dr inż. Kamili Kollbek w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii, które w ramach konsorcjum projektowego udostępnia niezbędną do tego celu aparaturę.
Szczególna uwaga naukowców skupia się na aminokwasach. Jak wiadomo, budują one w przyrodzie białka i peptydy oraz pełnią szereg innych funkcji biologicznych. Co jednak istotne z punktu widzenia implantologii, są nietoksyczne, stosunkowo tanie i adsorbując się w określonych warunkach na powierzchni metalicznej – jak wykazały wcześniejsze badania – mogą pełnić rolę inhibitora korozji.
Aminokwasem, który badacze wzięli dotąd na warsztat, jest m.in. tryptofan (Trp). Nie jest on naturalnie wytwarzany w ciele człowieka, w związku z czym musi być dostarczany w diecie. Pełni on bowiem w organizmie bardzo istotne funkcje: jest prekursorem różnych metabolitów, m.in. serotoniny (zwanej potocznie hormonem szczęścia) oraz melatoniny (hormonu odpowiedzialnego za regulację snu), wpływa na zdrowie układu kostno-szkieletowego, a jego reszty wchodzą w skład peptydów odgrywających istotną rolę w systemie immunologicznym. Żeby się przekonać, czy Trp może być też inhibitorem korozji, pod kierunkiem dr. inż. Gaetana Palumbo przeprowadzono badania elektrochemiczne stali nierdzewnej. Zasymulowano w tym celu agresywne środowisko, które w organizmie człowieka wpływa na proces korozji implantów (obecność m.in. jonów chlorkowych i fosforanowych). Normalnie w zależności od różnych czynników może on trwać latami, natomiast w laboratorium można go w znaczący sposób przyspieszyć. Część wyników badań dotyczących wpływu Trp na proces korozji stali nierdzewnej została opublikowana w czasopiśmie „Coatings”. W pracy tej przedstawiono wyniki elektrochemiczne oraz spektroskopowe świadczące o tym, że Trp w kontrolowanych warunkach adsorbuje się na skorodowanej powierzchni stali nierdzewnej, co skutkuje poprawą odporności korozyjnej.
W badaniach dotyczących procesu inhibicji wykorzystywane są techniki powierzchniowo-wzmocnionej absorpcji w podczerwieni (SEIRA) i powierzchniowo-wzmocnionego efektu Ramana (SERS), które są bardzo dobrym narzędziem do monitorowania procesu w mikroskali oraz techniki łączące zalety mikroskopii sił atomowych i metod spektroskopowych (np. AFM-IR), co umożliwia obrazowanie procesu w nanoskali. Wykorzystanie w badaniach głównie metod spektroskopii oscylacyjnej ze szczególnym uwzględnieniem technik obrazowania nanospektroskopowego jest nowatorskim podejściem w badaniach procesu korozji oraz jej inhibicji. Badania z wykorzystaniem wspomnianych technik posiadają wiele zalet, mianowicie pomiar jest szybki, próbka nie ulega zniszczeniu i nie wymaga specjalnego przygotowania – wyjaśnia dr Święch.
I dodaje, że wykorzystanie metod spektroskopowych umożliwia identyfikację produktów korozji oraz przeprowadzanie badań in-situ oraz ex-situ procesu inhibicji korozji w mikro- oraz nanoskali (np. określenie zmian strukturalnych zachodzących pod wpływem oddziaływania potencjalnych inhibitorów z badaną powierzchnią metaliczną z równoczesną kontrolą morfologii powierzchni).
Badania w tym zakresie mogą zapewnić lepsze zrozumienie procesów korozyjnych oraz przyczynić się do poprawy odporności korozyjnej materiałów wykorzystywanych w implantologii – podkreśla dr Święch.
W projekcie oprócz jednostek z AGH uczestniczą też naukowcy z Zakładu Fizyki Doświadczalnej Układów Złożonych w Instytucie Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk. Na realizację prac Narodowe Centrum Nauki przeznaczyło ponad 777 tys. zł w ramach programu SONATA 15.
źródło: AGH