Umíme nahradit téměř všechny kosti v lidském těle

Jak jste se k výzkumu na téma kov a lidské tělo dostal?

Naše pracoviště asi před pěti lety navštívila firma a projevila zájem o vývoj kovových materiálů, které by se v těle po určité a předem dané době samovolně rozpustily na netoxické produkty.

Povedlo se?
Po třech letech práce jsme vyvinuli slitiny na bázi hořčíku s požadovanými vlastnostmi.

Kdy se začnou využívat?
Vývoj je ukončen a materiály jsou připraveny ke zkouškám pro lidskou medicínu. Ale jak známo, trvá cesta od laboratoře do praxe mnoho let a ověřování vyvinutých postupů a produktů stojí hodně peněz. Firma proto zatím obrátila pozornost jiným směrem, konkrétně na biomateriály ze slitin titanu.

Co vše lze v lidském těle nahradit kovem?
Prakticky celou kostru s výjimkou drobných kůstek v nosní dutině. Nahrazují se dlouhé kosti končetin, všechny klouby od kyčelních až po malé na prstech. Kovem lze vyspravit poškozenou lebeční kost. Páteřní obratle může zastoupit titan. Medicína si poradí i s maximálně opotřebenými meziobratlovými ploténkami, které způsobují nestabilitu páteře.
Nikdo zatím nevyrobil odpovídající materiál nahrazující vazivo, kterým je ploténka tvořena. Po jejím vyjmutí ale nelze nechat sousední obratle na sebe jen tak nasednout, protože by utlačovaly nervové struktury. Proto neurochirurgové používají ploténky titanové. A v dentální medicíně se z kovu, zejména z titanu, používají čepy, které se implantují do dásní a slouží jako základ pro zubní korunky.

S jakým materiálem pracujete ve vaší laboratoři?
Jmenuje se nitinol, což je superelastická slitina niklu a titanu. Když ho zmáčknete a pak pustíte, vrátí se do původního tvaru. Zároveň má tzv. tvarovou paměť. Znamená to, že se materiál po ohřátí vrátí do původní podoby. Když například ohnu kus drátu z nitinolu a pak ho ponořím do vody o teplotě 60 stupňů, drát se znovu narovná. To můžu zopakovat třeba tisíckrát. Teplotu, která spustí tuto reakci, lze nastavit v rozmezí od minus 50 do plus 100 stupňů buď přidáním určitých chemických prvků během výroby slitiny, nebo různými postupypři tepelném zpracováním slitiny.

K čemu je taková vlastnost užitečná?
Například ke spojování zlomených kostí. Svorkou vyrobenou zkovu s pamětí se spojí dvě části fraktury a vnějším zdrojem tepla se kov zahřeje na předem nastavenou teplotu. Svorka se vrátí do původního tvaru a stahuje úlomky kosti k sobě. Takto fixuje zranění po celou dobu léčby, než se zlomenina zahojí. Kov s pamětí se používá taky na rovnátka zubů. Na chrup se nasadí drátky v deformovaném stavu, tělesnou teplotou v ústech se poté zahřejí, vrátí se do původního stavu a trvale působí na zuby.
Z nitinolu se vyrábějí rovněž stenty, což jsou kruhové a několik centimetrů dlouhé výztuže pro oslabené stěny cév, žil nebo jícnu.

Výztuž vypadá jako trubička utkaná z kovových vláken. Jak se z tak odolného materiálu, jako je nitinol, splétá tak složitá struktura?
Vyrobit titan je velice těžké. Taje až při vysoké teplotě okolo 1660 stupňů a při tavení velmi rychle zachytává všechen dusík a kyslík z okolí, proto se musí připravovat v inertních velmi čistých plynech. Za těchto podmínek je tavení velmi obtížné. Ingot vytažený z pece se pak za tepla ková, válcuje a žíhá, až vznikne velice slabý drát. Z něho se pak splétají stenty.

Výztuže pro krevní a zažívací systém se ale vyrábějí už mnoho let z korozivzdorné oceli, v čem jsou ty z nitinolu výhodnější?
To vyplývá ze způsobu, jakým se stenty používají. Nejprve se stent vsune do trubičky. Ten z nitinolu se díky superelasticitě snadno zmáčkne do velmi úzkého průměru. Trubička se pak dopraví pomocí dlouhého lanka s dálkově ovládaným mechanismem na poškozené místo v krevním nebo trávicím systému a stent se z trubičky vytáhne. Superelastická slitina se rozepne a zpevní stěny.
Ocelové výztuže tak pružné nejsou, lze je zmáčknout jen nepatrně a po stlačení se nevracejí do původního tvaru. Stenty z korozivzdorné oceli jsou možná levnější, ale nevydrží různé ohyby do všech stran, a tím je jejich používání omezeno.
Slitina niklu a titanu má i další výhodu. Když pacienta vyšetřují pomocí magnetické rezonance, ocelový stent může dělat problémy. Výztuž z nitinolu se při tomto diagnostickém zákroku nijak neprojevuje.

Jak se řeší snášenlivost kovu s lidským organismem?
Pokud má tělo přijmout náhradní součástku s co nejmenšími obtížemi, musí mít kov několik důležitých vlastností. Nesmí uvolňovat toxické ionty a nesmí na jeho povrchu vznikat oxidy ani další zplodiny, vyvolané korozí. Korozivzdorná ocel má značné procento chromu, který organismus nesnáší. Například záněty v těle mohou vyvolat tak silné oxidační prostředí, že chrom se může uvolňovat a způsobit problémy.
Nitinol reaguje na prostředí v lidském těle tak, že povrch náhradního dílu taky pokryjí oxidy, ale vytvoří vrstvu tenkou pouhých několik miliontin milimetru. Tato tzv. pasivní vrstva vytvoří ochranu před další reakcí materiálu s okolním kyslíkem a koroze pak postupuje velice pomalu.

Jak rychle?
To záleží na prostředí, kterému je implantát v těle vystaven. Stent ze slitiny niklu a titanu může vydržet bez známek koroze i velmi mnoho let.

Jak se řeší, aby kost vydržela co nejdéle přítomnost kovu?
Jde o to, aby měl kov podobné mechanické vlastnosti jako kost. Například modul pružnosti, to je síla potřebná k vratné deformaci kosti. Tuto podmínku poměrně dobře splňuje titan.

Nitinol vyvinula jedna americká firma počátkem šedesátých let minulého století. V čem spočívá přínos vaší laboratoře?
Ano, nitinol je znám už více než padesát let, ale doposud není dokonale zvládnutý postup jeho zpracování. Přípravou slitiny lze totiž podstatně změnit snášenlivost materiálu v živém organismu. Dalším problémem je, jak zaručit, aby se nenarušila pasivní vrstva, která vzniká při kontaktu s kyslíkem a poskytuje slitině ochranu před degradací korozí. Způsobem zpracování lze také ovlivnit mechanické vlastnosti – superelasticitu, tvarovou paměť a tak dále. Postup výroby je tedy velice pečlivě utajován.

Jaké problémy jste v této fázi výzkumu například řešili?
Titan obsažený v nitinolu velice dychtivě během tavení reaguje se všemi plyny v okolí. To může negativně změnit jeho vlastnosti. Proto jsme například museli zjistit, v jaké atmosféře, tedy v jakém vzácném plynu slitinu vyrábět, při kolika stupních Celsia, jak dlouho ji v určité teplotě ponechat.

Jak postupujete? Metodou pokus – omyl?
To by trvalo příliš dlouho. Nejprve si pročteme literaturu, patenty, články v časopisech. Podíváme se, kdo, co a jak zkoušel.

Ale říkal jste, že mnoho informací o technologii přípravy je tajných, jak je tedy získáváte?
Jsou zdroje, které obsahují obecné údaje, něco tedy naznačí, ale úplně přesné postupy v nich nejsou. Ovšem díky zkušenostem už víme, že doba nějakého kroku zpracování není třeba dvacet minut při teplotě 800 stupňů, ale může být v rozmezí od půl do jedné hodiny a při 1000 stupních. Takže už jsme trochu nasměrováni a netápeme v úplné neznámém terénu.

Takže pak se přece jen dostáváte do fáze pokus – omyl?
Zjednodušeně to tak lze říct. Připravíme experiment, projedeme různé teploty, pak se změří vlastnosti, které nás zajímají, a už chystáme další pokus s pozměněnými parametry.
Tvary stentů, kloubů a dalších náhradních dílů navrhujete sami?
Ne, to je úkolem biomechaniků ve firmě, se kterou spolupracujeme. Naše laboratoř navrhuje a zkouší postupy, které umožní vyrobit navržený tvar konkrétního implantátu pro lidské tělo.