Tím vedcov z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV a Univerzity v Záhrebe vyvinul nový kompozitný materiál pre kostné implantáty na báze titánu. Použitím nového materiálu pripraveného špeciálnymi metódami práškovej metalurgie sa podarilo zredukovať hlavné nedostatky doteraz používaných implantátov.
Titán je biokompatibilný, netoxický, inertný kov, ktorý je chemicky odolný proti korózii, má vysokú špecifickú pevnosť, je dostatočne tvárny a má nízku hustotu. Vzhľadom na tieto významné vlastnosti sú titán a jeho zliatiny široko používané v biomedicíne predovšetkým na výrobu biomedicínskych implantátov. Titánové implantáty, ktoré sa vyrábajú predovšetkým z komerčne čistého titánu (tzv. trieda 4) a z TiAl6V4 zliatiny (tzv. trieda 5), sú určené na trvalú prítomnosť a funkciu v ľudskom tele.
Znížiť tuhosť
Nevýhodou titánu a jeho zliatin je ich vysoký Youngov modul pružnosti (materiálová tuhostná konštanta charakteristická pre daný materiál; čím je jeho hodnota vyššia, tým vyššie napätie je potrebné na dosiahnutie rovnakej deformácie), ktorý je zvyčajne nad 100 GPa, čo je hodnota niekoľkokrát vyššia ako v prípade ľudských kostí. Vzhľadom na rozdiel medzi Youngovým modulom implantátu a Youngovým modulom ľudských kostí dochádza k javu označovanému ako stress-shielding. V dôsledku tohto javu prenáša implantát výrazne väčšie zaťaženie v porovnaní s kosťou, kosť nie je dostatočne zaťažovaná, čo môže viesť k atrofii alebo kostnej osteoporóze v okolí osadeného implantátu a následne až k lokálnemu uvoľneniu implantátu. Youngov modul titánu sa dá znížiť vhodným legovaním prísadami (napríklad zirkónom, tantalom, nióbom a molybdénom). Ich prítomnosť je však nevhodná z biomedicínskeho hľadiska, respektíve príprava takýchto špeciálnych zliatin je drahá, komplikovaná a problematická. Znížiť Youngov modul titánu je však možné aj pomocou prípravy pórovitých titánových implantátov. Okrem potlačenia stress-shielding efektu umožňujú porézne titánové implantáty prerastenie kostného tkaniva do implantátu, a tým vytvorenie kvalitnej mechanickej väzby na rozhraní implantát – kosť. Zvyšková pórovitosť však vedie k zásadnému poklesu aj ostatných mechanických vlastností (najmä pevnosti a ťažnosti), čo limituje použitie poréznych titánových implantátov v aplikáciách, pri ktorých dochádza k prenosu len malého zaťaženia (napríklad tzv. scaffold nosiče).
Aktívny povrch
Druhým hlavným obmedzením implantátov vyrobených z titánu a jeho zliatin je skutočnosť, že pre nedostatočnú povrchovú aktivitu je nutné ich povrch dodatočne upravovať. Touto úpravou sa zabezpečí dobrá integrácia s kosťou a inými biologickými tkanivami za účelom dosiahnutia pevného a trvalého spojenia na rozhraní implantát – kosť. Typicky sa obrábané implantáty napríklad mechanicky otryskávajú pieskom tak, aby sa zvýšila povrchová mikrodrsnosť implantátu, prípadne sa aplikujú na implantát reaktívne vrstvy, ktoré zvyšujú povrchovú interakciu implantátu s okolitým biologickým tkanivom.
Dva kovy v kompozite
Výskumný tím vedcov z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV Martin Balog a Peter Krížik v spolupráci s Amirom Ćatićom a Zdravkom Schauperlom z Univerzity v Záhrebe vyvinul jedinečný kompozitný materiál BIACOM® (BIoActive COmposite Metal), ktorý výrazne redukuje už uvedené nedostatky titánových implantátov z materiálov triedy 4 a 5. BIACOM® sa vyrába použitím ekonomicky efektívneho a produktívneho prístupu práškovej metalurgie, ktorý sa realizuje pri relatívne nízkych teplotách (do ~450 °C).
Implantáty vyrobené z materiálu BIACOM® sú vhodné na aplikácie vystavené vysokému a cyklickému mechanickému namáhaniu, napríklad pre zubné implantáty.
Novovyvinutý kompozitný materiál sa vyznačuje spojením dvoch vzájomne nerozpustných kovov rôznych vlastností do súrodého kompozitu. Do nosnej trvalej matričnej titánovej štruktúry sa pridáva biologicky odbúrateľná zložka – horčík. Tá je v štruktúre zabudovaná vo forme homogénne rozmiestnených, účelovo usmernených a navzájom spojitých vláken. Implantáty vyrobené z materiálu BIACOM® sú vhodné na aplikácie, pri ktorých je implantát vystavený vysokému a cyklickému mechanickému zaťaženiu, čo platí napríklad pre zubné implantáty.
Ing. Martin Balog, PhD.
Ústav materiálov a mechaniky strojov
SAV v Bratislave
Obrázky autor
Za účelom zabezpečenia priemyselno-právnej ochrany BIACOM® implantátov bola podaná slovenská, chorvátska, medzinárodná PCT, európska a izraelská patentová prihláška. Taktiež sa intenzívne realizujú aktivity za účelom komerčného uplatnenia tohto jedinečného riešenia. Viac informácií na www.ktt.sav.sk.
