Spomedzi kovov boli v prvých pokusoch liečby zlomenín a ochorení kostí použité platina, železo, zlato či striebro.
Zlato a platina boli svojou odolnosťou proti korózii veľmi žiaduce, ale ich cena bola vysoká a mechanická odolnosť slabá. Biokompatibilitu železa spochybnil výskyt ochorení, keď po implantácii dochádzalo k deštrukcii tkanív v okolí implantátu v dôsledku elektrochemických a chemotoxických účinkov kovu.
Klinické pozorovania spočiatku viedli k názoru, že kovové implantáty by mali spĺňať podmienku odolnosti proti korózii. To, čo sa na prvý pohľad javí ako nevýhoda, môže byť ale v skutočnosti veľkou výhodou. Výsledky experimentov v posledných desaťročiach totiž ukázali, že implantáty vyrobené z materiálov na báze horčíka môžu slúžiť ako dočasné bioimplantáty, ktorých degradácia bude spôsobená práve koróziou. Pre pacientov a lekárov v praxi to znamená, že z hľadiska funkčnosti nebude medzi implantátmi výrazný rozdiel, ale druhá chirurgická operácia na odstránenie implantátu po zhojení kosti už nebude potrebná.
Prečo práve horčík?
Horčík a jeho zliatiny pritiahli pozornosť mnohých vedcov vďaka svojej vynikajúcej biokompatibilite s fyziológiou ľudského tela. Pri biologicky odbúrateľnom kove sa predpokladá, že bude postupne korodovať v tele s vhodnou hostiteľskou odpoveďou vyvolanou uvoľnenými produktmi korózie.
Horečnaté ióny sa prirodzene vyskytujú v ľudskom tele v kostiach a mäkkých tkanivách, kde plnia rozličné fyziologické funkcie. Sú nevyhnutné pre ľudský metabolizmus ako kofaktor vo viac než 300 enzymatických reakciách a tiež je známa ich úloha pri hojení tkanív.
Výhoda horčíkových implantátov však spočíva nielen v ich biokompatibilite. Z hľadiska mechanických vlastností je veľmi dôležité, aby sa materiál správal pri namáhaní podobne ako kostné tkanivo. Pokiaľ to tak nie je, implantát nesie väčšiu časť záťaže, čím dochádza k redukcii hustoty kosti a dá sa povedať, že kosť zlenivie. Mechanickými vlastnosťami sa horčík podobá kosti viac než štandardne používané kovové implantáty.
Rozpustnosť kovového implantátu
Korózia kovov je elektrochemický proces, pri ktorom kov prechádza zmenou oxidačného stavu interakciou s elektrolytom. Tento proces sa uskutočňuje prenosom elektrónov na rozhraní elektródy a zahŕňa oxidáciu atómov kovov na ich iónovú formu. Môžeme si teda predstaviť rozpustenie horčíkového implantátu ako hrdzavenie starého železa, ktoré je vystavené vzdušnej vlhkosti?
Prostredie ľudského tela pozostáva z roztoku chloridu sodného s malými množstvami iných anorganických solí. Slabá odolnosť horčíka proti korózii sa dá pripísať najmä nedostatočnej ochrannej vrstve na jeho povrchu. Vytvorený oxid/hydroxid je porézny a prítomnosť chloridových iónov rýchlo premieňa túto vrstvu na ľahko rozpustný chlorid horečnatý. Okrem anorganických zložiek môže rýchlosť korózie ovplyvňovať aj prítomnosť organických látok, ako sú bunky či baktérie. Aj keď vo výsledku očakávame úplné nahradenie implantátu kostným tkanivom, predsa len potrebujeme, aby rozpúšťanie prebiehalo postupne počas hojenia kosti a nedochádzalo k prudkému uvoľňovaniu plynného vodíka, ktorý by poškodzoval okolité tkanivá.
Čomu sa venujeme
Našou snahou je vytvorenie korózne odolnej vrstvy, ktorá by zabezpečila regulovateľné rozpúšťanie dočasného implantátu – aby sa nám v tele nerozpustil ani príliš rýchlo, ani príliš pomaly. Mechanické vlastnosti podobné ľudskej kosti dosahujeme pomocou práškovej metalurgie a deformačných modifikácií. Experimentálna práca po vytvorení vhodného kompaktu zahŕňa komplexnú mikroštruktúrnu analýzu pomocou elektrónovej mikroskopie či ponorové skúšky v médiách simulujúcich prostredie ľudského tela.
Nepredvídateľná povaha živých systémov vyžaduje systematický a komplexný prístup na dosiahnutie dobre kontrolovaných materiálových vlastností. Je potrebné zvoliť spôsob na súčasné dosiahnutie požadovanej drsnosti povrchu, odolnosti proti korózii a mechanických vlastností.
Text a foto Veronika Nagy Trembošová
Ústav materiálov a mechaniky strojov SAV
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.
