Innowacyjny bio-metamateriał wykorzystany w projekcie endoprotezy stawu biodrowego

Będąc na jednej z konferencji dotyczącej wykorzystania technologii przyrostowych spotkałam się z opinią, że przyszłością druku przestrzennego jest ciągły rozwój materiałów eksploatacyjnych. Naukowcy, starając dopasować właściwości produkowanych tworzyw do cech natywnej tkanki (np. tworzyć implanty kości o module Younga zbliżonym do kości, aby zapobiegać powstawaniu naprężeń), sięgają po materiały kompozytowe łączące w sobie najważniejsze właściwości przyszłego implantu.

Implanty ortopedyczne, które w założeniu mają stanowić substytut kości, muszą wyróżniać się wysoką wytrzymałością, możliwością przenoszenia bardzo dużych obciążeń przy jednocześnie niewielkiej wadze tak, aby stosowanie protezy nie wiązało się z dyskomfortem. W przypadku endoprotezy stawu biodrowego te charakterystyczne cechy są niesamowicie ważne – jest to bowiem wieloosiowy, najbardziej ruchomy staw kończyny dolnej.

Uszkodzenie panewki czy pęknięcie szyjki kości udowej często implikuje konieczność zastąpienia fragmentu kości implantem. Jeśli chodzi o materiały to najpopularniejszą praktyką jest wykonywanie trzpienia (czyli części mocowanej wewnątrz kości udowej) z tytanu medycznego o porowatej strukturze, która pobudza tkankę kostną do szybszego narastania. Główka jak i panewka tworzą parę cierną, umożliwiającą poruszanie nogi w stawie – dobierając materiały należy pamiętać, aby wybrać materiały o zbliżonej twardości, tak aby bardziej miękki materiał nie ścierał się i zbyt szybko zużywał.

Starając się wytworzyć materiał o wyselekcjonowanych właściwościach mechanicznych, naukowcom z Uniwersytetu Technicznego w Delft udało się wytworzyć biometamateriał spełniający oczekiwania zarówno badaczy jak i ortopedów.

O ile pojęcia biomateriału nie trzeba nikomu tłumaczyć, tak zagadnienia związane z tematem metamateriałów należą do dużo bardziej skomplikowanych. Metamateriałem nazywamy sztucznie wyprodukowane tworzywo o właściwościach odbiegających od tych, występujących w naturalnie powstających materiałach. Możliwości te uwarunkowane są poprzez strukturę w skali większej niż cząsteczkowa. Technologia druku 3D pozwoliła na uzyskanie unikalnej struktury materiału – ingerencja pod tym kątem sprawiła, ze materiał, z którego wykonano protezę posiada ujemny współczynnik Poissona, co oznacza, że podczas rozciągania rozszerza się prostopadle do przyłożonej siły.

Dlaczego jest to aż tak ważne w przypadku protezy stawu biodrowego? Należy wiedzieć, że trzon endoprotezy jest osadzany poprzez wbicie go wystarczająco głęboko w kość. Podczas wykonywania codziennych czynności implant ciągle narażony jest na niewielkie ruchy, prowadzące do obluzowania się konstrukcji. W takim wypadku niezbędna jest reoperacja, która może nieść szczególne ryzyko dla osób w podeszły wieku, czyli de facto najczęstszych odbiorców endoprotez stawu biodrowego.

Wzbogacony o metastrukturę implant czeka jeszcze na testy kliniczne – jak na razie był on testowany pod kątem obciążeń w środowisku symulującym kość (pianka o podobnej gęstości i mechanicznych własnościach). Kolejny etap przewiduje szczegółowe badania właściwości materiałów, w ścisłej współpracy z naukowcami z różnych szpitali akademickich. Jak przyznaje profesor Rob Nelissen innowacje w dziedzinie endoprotez stawów biodrowych są jak najbardziej potrzebne, a nowa metoda ma potencjał do przedłużenia żywotności implantów.