Uvolněné otěrové částice kloubních náhrad kontaminují okolní tkáně. Především vysokomolekulární polyetylen je pak hlavním viníkem úbytku kostní tkáně a následného uvolnění náhrady. Nanovlákenná kompozitní membrána by však mohla být schopna tyto částečky zachytit a „uskladnit“, čímž by vzniku osteolýzy zabránila.
Doc. Lukáš Čapek se na půdě Technické univerzity v Liberci ve svém výzkumu dlouhodobě zaměřuje na moderní aplikace v medicíně. Ve spolupráci s lékaři liberecké nemocnice například na liberecké fakultě strojní vyvinul na míru vyráběné náhrady poškozených lebečních a obličejových kostí. S kolegou Petrem Henyšem a ve spolupráci s vývojovým týmem kladenské společnosti Beznoska vyvinul patentově chráněný přístroj, který diagnostikuje stabilitu endoprotézy kyčelního kloubu. V současné době se zaměřuje na fakultě textilní na vyřešení klíčového tématu prodloužení životnosti kloubních implantátů, konkrétně na to, jak zamezit kontaktu uvolňujících se plastových mikročástic s kostní tkání, a omezit tak úbytek kostní tkáně. Přiznává, že aplikace v oblasti medicíny jsou pro něj stále velkou výzvou, a připravuje další výzkumné záměry.
Kyčelní kloub (articulatio coxae) spojující stehenní kost s pánví je v lidském těle po kloubu kolenním druhým největším kloubem. Kloubní plochy kyčelního kloubu tvoří jamka na kosti kyčelní, která vzniká srůstem tří kostí, a hlavice femuru. Jamka je hluboká a rozšířená o labrum, tedy chrupavčitý lem uzavírající kyčelní kloub. V jamce, do které zapadá hlavice, se nachází takzvaná synoviální tekutina vytvářející film zajišťující plynulý rotační pohyb.
Kloubní náhradě však taková tekutina chybí. Po implantaci postupně dochází k vytváření nového kloubního pouzdra, do něhož se však třením postupně uvolňují otěrové mikročástice polyetylenu, kovu, keramiky, cementu a dalších materiálů používaných při konstrukci kloubních náhrad.
„Uvolněné otěrové částice přicházejí do kontaktu s okolními tkáněmi. Zde iniciují buněčnou reakci na cizorodý materiál. Hlavním viníkem vedoucím k úbytku kostní tkáně a následné uvolnění endoprotézy je pak právě vysokomolekulární polyetylen,“ vysvětluje doc. Čapek.
ŽIVOTNOST KYČELNÍHO IMPLANTÁTU ZLEPŠÍ NANOMEMBRÁNA
Kloubní implantáty se dělají z kovu, nejčastěji z titanové slitiny či slitiny chrom-molybdenu. Kluzné části jsou pak nejčastěji vyráběny z vysoce molekulárního polyetylenu. Během tření těchto prvků se však uvolňují drobné částečky plastu o různých mikrovelikostech, přičemž částice o velikosti do 1 μm jsou nejaktivnější a jsou spojovány s úbytkem kostní tkáně v okolí endoprotézy — s osteolýzou.
Podle doc. Čapka řeší většina vývojových a výzkumných laboratoří na světě tento problém tak, že se snaží vyvíjet nové materiály nebo povrchové vrstvy, a modifikovat tak povrchové vlastnosti implantátu, aby se snižovalo tření mezi jednotlivými komponenty a celkový počet částice byl co nejmenší.
„Přes veškeré úsilí se ale zatím nepodařilo snížit otěr natolik, aby k osteolýze nedocházelo. Je to běh na hodně dlouhou trať. My se domníváme, že jednodušší a výhledově uskutečnitelnější je zamezit migraci těch mikročástic do prostoru mezi kostí a implantátem. Počítáme s tím, že otěrové částice budou v náhradách stále přítomny, a společně s kolegy z prestižní univerzity Katholieke Universiteit v belgické Lovani (KU Leuven) jsme se začali zabývat možností, jak obohatit implantát o filtr, který by tyto částice zachytával a průběžně uskladňoval. Vzhledem k velikosti částic se jeví jako výhodné využití netkané nanomembrány,“ říká Lukáš Čapek s tím, že do výzkumu jsou kromě belgických kolegů zapojeni lidé napříč libereckou univerzitou.
MIKROČÁSTICE ZACHYTÍ NANOVLÁKENNÁ KOMPOZITNÍ MEMBRÁNA
Kupříkladu na vývoji samotné speciální nanomembrány pracoval dva roky Ing. Radek Jirkovec, Ph.D., z katedry netkaných textilií fakulty textilní společně se studentem doktorského studia Alešem Hroudou. Nanovlákenná vrstva je vyrobena z polyamidu elektrostatickým zvlákňováním stejnosměrným proudem (DC zvlákňování).
„Tento postup je pro náš účel vhodný, protože při něm vzniká homogenní nanovlákenná vrstva. Polyamid jsme zvolili proto, že se jedná o biokompatibilní a zároveň nedegradabilní materiál, máme s jeho zvlákňováním dlouholeté zkušenosti a umíme z něj vyrobit vlákna o průměru kolem 120 nm, což nám u jiných polymerů zatím nejde. Pro tuto konkrétní medicínskou aplikaci jsme po důkladném testování přistoupili k laminování několika vrstev pro dosažení vyšší mechanické odolnosti. Testy ukázaly, že optimální je třívrstvý laminát,“ říká Radek Jirkovec.
Podle Ing. Jakuba Hrůzy, Ph.D., který se v Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace TUL zabývá filtrací, je nově vyvinutá membrána funkční nejen pro tuto konkrétní medicínskou aplikaci a lze ji mimo jiné použít třeba při filtraci vody.
„Membrána funguje na bázi síta. Hustota nanovlákenného síta je ale mnohem větší než u konvenčních membrán a je díky tomu mnohem efektivnější a dokáže mikročástice spolehlivě zachytit,“ konstatuje dr. Hrůza.
MATEMATICKÝ MODEL FILTRACE SIMULUJE PROUDĚNÍ MIKROČÁSTIC
V současné době se originálním řešením intenzivně zabývá pod vedením doc. Čapka a belgické profesorky Denisové již zmíněný doktorand Aleš Hrouda, který na realizaci projektu získal grant v rámci čtyřletého doktorského stipendia univerzity Katholieke Universiteit v Lovani.
„Můj grant je specifikovaný v tom, že jsem jeden rok pracoval na TUL, kde jsem se věnoval experimentálním měřením a hledání a testování ideální nanomebrány pro kloubní náhradu. Celkem tři roky pak pracuji v Lovani, kde bych měl příští rok v únoru dokončit doktorát i svůj projekt. Na základě různých studií, výzkumů a rešerší víme, jak velké částice budou v prostředí kloubní náhrady proudit, kolik jich asi bude a jak budou velké. Vím, že jde o částice s průměrem 0,5 μm a jejich roční produkci lze řádově počítat v bilionech.“
Aleš Hrouda vytvořil matematický model filtrace částic pomocí membrány, na kterém simuloval proudění různých částic, mechanismus jejich zachytávání v membráně a jejich trasování. Model je založen na statistické predikci záchytu založené na distribuci pórů. Zjednodušeně řečeno, program spočítá, kolik pórů je menších než daná částice a porovná to s náhodně generovaným průchozím koeficientem.
„Při splnění podmínky, že pravděpodobnost záchytu je větší než průchozí faktor, je částice zachycena. To ovlivní také proudění, jelikož se lokálně změní vlastnosti membrány. Získali jsme data, která nám pomáhají navrhnout ideální skladbu materiálu a tvarové řešení pro zachytávání mikročástic na kyčelním implantátu. Výpočty jsou velmi náročné a trvají dny, nebo dokonce týdny. Snažíme se přijít s řešením, které ještě není ve světě ani popsané. To si můžeme dovolit díky tomu, že je liberecká univerzita velmi daleko v oblasti vývoje nanomateriálů. Jsme na dobré cestě,“ tvrdí mladý vědec s tím, že dosavadní výsledky byly s úspěchem publikovány v prestižních časopisech, jako jsou Separation and Purification Technology, Royal Sociaty of Open science, Textile Research journal, a výsledky byly také prezentovány na mezinárodní konferenci NART 2021 v Istanbulu.
Osteolýza doprovází náhrady kyčelních kloubů od jejich zavedení v 60. letech minulého století. Filtrační membrána by podle Aleše Hroudy pomohla asi v 7—9 % případů náhrady kyčelního kloubu, které musí kvůli osteolýze na reoperaci. Zhruba v polovině reoperací bývá příčinou právě osteolýza. „To je obrovské číslo, když uvážíme, že jen v Belgii udělají přes 30 tisíc endoprotéz kyčelního kloubu ročně,“ konstatuje Hrouda.
OTEVÍRAJÍ DALŠÍ VÝZKUMNÁ TÉMATA Z OBLASTI MEDICÍNY
Osteolýza je problém, o kterém se ví, ale přesný mechanismus, jak mikroplast v kloubu putuje, je podle docenta Čapka stále málo probádán. Stejně jako další témata zaměřená do medicíny, kterým se chce na Technické univerzitě v Liberci věnovat i v budoucnu. Zapojit do výzkumu chce studenty doktorského studia a absolventy získat na pozice postdoků. V současné době otevírá na katedře technologií a struktur Fakulty textilní TUL výzkum zaměřený na vstřebatelné vazy zajímavé zejména pro sportovní ortopedii.
„Podnět přišel z Ortopedické kliniky v Hradci Králové. Když si někdo zraní kolenní vaz, ať už křížový vaz, nebo postranní, natolik, že je nutná operace, používají se syntetické vazy z nevstřebatelných materiálů. Nejčastěji jde o polyetylen nebo polyester. Společně s ortopedy jsme přišli na nápad vyrobit vazy vstřebatelné. Jejich výhodou by bylo, že by urychlily biologické hojení natrženého vazu a během určité doby by se vstřebal,“ přibližuje nově zahájené výzkumné téma doc. Čapek.
A další téma, které se na TUL rozjíždí ve spolupráci s kardiochirurgií Fakultní nemocnice v Olomouci, je zaměřeno na pacienty po sternotomii (řez nad hrudní kostí ve střední čáře, který umožňuje chirurgovi dokonalý přístup k srdci otevřením hrudního koše). Přibližně u 3,5 % pacientů vznikne infekt, který musí chirurgové řešit poměrně radikálně tak, že odeberou část kostní tkáně z hrudní kosti a případně ze žeber.
„V tuto chvíli neexistuje nějaký standardizovaný přístup. Řeší se to například kostními štěpy nebo titanovými dlahami, které mohou komplikovat dýchání. My řešíme s dr. Martinem Kalábem z kardiochirurgické kliniky olomoucké fakultní nemocnice, zda by nešla udělat textilní kompozitní náhrada v podobě síťky, která by byla nejen levnější, ale hlavně pro lékaře variabilnější, protože by ji mohl přímo na sále upravovat pacientovi na míru. Pacientům by navíc výrazně usnadňovala fyziologické dýchání,“ přibližuje aktuální téma doc. Čapek, který bude „své“ doktorandy řídit už externě, protože přechází do Krajské nemocnice Liberec (KNL), kde zakládá nové oddělení klinické biomechaniky.