Biokompatibilní materiály

Před uvedením finálního produktu na trh probíhá intenzivní komunikace mezi odborníky z rozličných vědních oborů, především z oblasti fyziky, biomechaniky, chemie, biologie a samozřejmě medicíny. Laboratoř biomechaniky člověka (LBČ) na Fakultě strojní Českého vysokého učení technického v Praze se zabývá komplexně náhradami a mechanickými vlastnostmi materiálů použitelných v lékařství. Již od šedesátých let minulého století až po současnost jsou polymery využívány při výrobě implantátů.

Moderní implantáty jsou vyráběny často z několika typů biokompatibilních materiálů. Kromě kovových materiálů, jako jsou slitiny titanu, slitiny kobaltu a chromu nebo korozivzdorné oceli, nacházejí v implantologii široké uplatnění polymerní materiály. Používají se pro strukturální prvky nahrazující původní kostní tkáň. Z biokompatibilních polymerů jsou zhotovovány implantované součásti, např. meziobratlové rozpěrky, náhrady chybějících částí dlouhých kostí nebo tvarově složité individuální implantáty, nebo se aplikují jako výplňové materiály nahrazující kostní štěpy. Výhodou polymerních materiálů je mimo jiné jejich poddajnost, která je vyšší než u tradičně používaných materiálů, jako jsou slitiny titanu a je bližší poddajnosti kosti. Proto je rozložení zatížení kostní tkáně na rozhraní s implantátem příznivější, a tím je menší riziko destrukce kosti. Dobrých kluzných vlastností např. UHMWPE (Ultra Height Molecular Weight Polyethylene) je využito v náhradách kloubů při realizaci pohybu.

Klouby a jejich implantáty

Celosvětově se v současnosti provádějí miliony operací totální náhrady kolenního a kyčelního kloubu. Jen v EU podle Eurostatu v roce 2008 to bylo více než 750 tis. náhrad kyčelního a 500 tis. kolenního kloubu. Je tedy zřejmé, že kvalita a životnost používaných polymerů ovlivňuje životy mnoha milionů lidí po celém světě, a tedy i u nás v ČR. V souvislosti s problematikou kloubních implantátů se LBČ zabývá zejména novými perspektivními polymerními materiály. V oblasti náhrad jsou mnohaleté zkušenosti s kombinací kov-UHMWPE, přesto se ukazuje, že právě tento materiál má v klinické praxi své limity spočívající zejména v odolnosti proti opotřebení. V posledních letech byl základní UHMWPE modifikován a byly stanoveny technologické postupy, jejichž výsledkem je nový zesíťovaný polymer, jehož chemická stabilita a mechanická odolnost je vyšší než u dříve používaného. Pozornost se v současnosti upírá také na kombinaci kov-PEEK (Polyether Ether Ketone), a to zejména v kombinaci s komponentami ze slitin Ti a Co-Cr-Mo. Z dosavadní výzkumné praxe je zřejmé, že právě v kombinaci s titanovou slitinou jeho vlastnosti nejsou uspokojivé. Pozitivní výsledky přináší tato kombinace v případě, že je na základní slitinu nanesena funkční tenká vrstva, v našem případě se zaměřujeme zejména na vrstvy DLC (Diamond Like Carbon).

Pro stanovení mechanických vlastností na „nano“ úrovni je používán systém Hysitron TriboIndenter 950. Pomocí tohoto zařízení můžeme určit elastické moduly, indentační tvrdost, lomovou houževnatost a další vlastností umožňující nanoindentační měření. Pro testování komplexních mechanických vlastností polymerů a kompozitů je v LBČ využíván moderní testovací systém MTS 858.2 Mini Bionix (obr. 2), který je schopen provozovat současně zatěžování osovou silou a momentem síly ve více rovinách. Vzhledem ke konfiguraci patří mezi několik nejlepších systémů v celé Evropě a umožňuje provádět zkoušky mechanických vlastností podle technických norem nebo vlastní specifikace v rámci laboratoře akreditované podle ISO 17025. V neposlední řadě laboratoř disponuje unikátním zařízením pro dlouhodobé testování komponent kloubních implantátů KKK, které bylo navrženo a realizováno na FS ČVUT v Praze. Jeho jedinečnost spočívá v možnosti testování komponent v režimu simulujícím reálné pohyby pacientů po implantaci.

Další samostatnou oblast tvoří matematické modelování a analýza mechanických vlastností polymerů. V LBČ se provádějí kvazistatické mechanické zkoušky za teploty 20 až 80 °C, při kterých se bezkontaktními metodami měří deformace vzorku (MTS 858.2 Mini Bionix). Získané závislosti mechanického napětí a skutečné deformace se používají pro identifikaci parametrů vícekriteriálních materiálových modelů běžně zabudovaných v komerčních MKP softwarech. Mimoto jsou výsledky využity při tvorbě vlastních uživatelských nelineárních materiálových modelů, které standardně v MKP softwarech nejsou.

Meziobratlové implantáty se používají při operativní léčbě degenerativních onemocnění bederní páteře. Nejčastěji léčba nestabilního hybného segmentu bederní páteře spočívá ve fúzi obratlových těl postiženého segmentu. Cílem fúze je vytvoření pevného spojení mezi sousedními obratli. Během operace jsou do prostoru mezi obratlovými těly vloženy meziobratlové implantáty. Z mechanického hlediska jsou důležitými parametry pevnost a celková tuhost implantátu, protože plní úlohu nosné komponenty, a proto je jeho pevnost nutným předpokladem při konstrukci. Tuhost implantátu má zásadní vliv na interakci implantátu s okolní kostní tkání. Modul pružnosti kostní tkáně je ve srovnání s modulem pružnosti běžných konstrukčních materiálů, například slitiny titanu Ti6Al4V, mnohonásobně menší. V rámci pracoviště byl vyvinut nový implantát, který je vyroben z polymeru PEEK. To je materiál, který má především příznivé mechanické vlastnosti a zaručenou biokompatibilitu. Implantát se vyznačuje výhodnějším rozložením namáhání v kostní tkáni obratlového těla a snižuje se riziko penetrací obratlových těl a tím nutnost reoperací.

V minulých dvaceti letech došlo k významným změnám v zubním lékařství. Amalgámové slitiny se přestávají používat a nahrazují je kompozitní a keramické výplně. Kompozitní materiály mají excelentní estetické vlastnosti, jsou biokompatibilní a snadno použitelné. Výzkum se zaměřuje především na životnost výplní a minimalizaci jejich selhání. Nejčastější příčinou selhání je zbarvení okraje výplně, prasknutí nebo tvorba sekundárního kazu. Příčinou je vznik napětí v adhezivní vrstvě na rozhraní výplně a zubu. Velikost napětí je ovlivněna objemovou změnou kompozitu v důsledku polymerace, zatěžováním, způsobem plnění materiálu a tvarem zubní kavity. Hodnota napětí může být matematicky analyzována pomocí MKP. Analýzy však vyžadují znalost přesných hodnot mechanických vlastností používaných materiálů, které jsou získávány experimentálně na systémech MTS Mini Bionix, Hysitron’s TriboLab a pomocí kontaktní ultrazvukové metody. Vliv stárnutí materiálu na změnu mechanických vlastností nebo i důsledky pohlcování polymeračního záření při průchodu materiálem lze analyzovat nedestruktivními metodami.

Velmi podobnou aplikací jsou štěpy v případě traumatických nebo netraumatických poškození kostní tkáně, kdy je potřeba umělé náhrady kosti. Lidská kost je v podstatě dokonalý kompozit, složený převážně z nanosložek, které jí zaručují jedinečné vlastnosti. Pokud je poškození malého rozsahu, má kost schopnost vlastní regenerace. Naopak u těžkých, rozsáhlejších defektů a ztráty objemu vyvstává potřeba aplikace kostních náhrad – štěpů. V současné době se asi nejčastěji používá autologního štěpu, tedy transplantace od stejného pacienta. Pro konstrukci umělých kostních náhrad se používají kovové, keramické a polymerní materiály. Vzhledem ke specifickým vlastnostem má každý z uvedených materiálů svá velká pozitiva, ale také klinická omezení. Žádný nedosahuje fyzikálních vlastností shodných s kostí. Polymerní náhrady jsou pro představu z polylaktidů, polykaprolaktanů, polyetylenu a polyuretanu. Vykazují vhodnou biokompatibilitu, ale současně nízký Youngův modul a poměrně malou ohybovou pevnost ve srovnání s kortikální kostí. Odborné studie i výsledky z klinické praxe naznačují, že budoucnost kostních náhrad může spočívat v kombinaci více materiálů, respektive v konstrukci polymerů vyztužených vlákny nebo částicemi – kompozity. Hlavní předností polymerních kompozitních materiálů je možnost volby jednotlivých složek z pohledu jejich skladby a orientace, materiálových, fyzikálních a chemických charakteristik, kterými je možno dosáhnout širokého rozsahu mechanických a biologických vlastností. V současnosti se LBČ zabývá přípravou biologicky inspirovaného nanokompozitního materiálu pro obnovu kostní tkáně, který imituje reálnou strukturu kosti. Materiál je složen z polymerních nanovláken a matrice s různou dobou degradovatelnosti a dále obsahuje přírodní nebo syntetické kalciumfosfátové nanoprášky. Stanovení redukovaného elastického modulu a indentační tvrdosti vzhledem k objemu a orientaci nanovláknové výztuže v použitých matricích je prováděno na nanoindentoru Hysitron TriboIndenter TI950 (Hysitron, USA).

Samostatnou skupinu tvoří radiolucentní polymerní kompozity. Tyto materiály jsou primárně určeny pro medicínská zařízení a instrumentária. Používají se při určitých druzích zákroků, u nichž je využíváno zobrazovacích technik jako rentgenu, počítačové tomografie (CT) nebo magnetické rezonance (MRI). Na materiály jsou kladeny náročné požadavky, z nichž hlavní jsou dobrá prostupnost rentgenového záření pro získání kvalitního a přesného zobrazení a také odolnost proti opakované sterilizaci, zejména z pohledu rozměrové a mechanické stability. Pro ověření vlivu sterilizace, agresivního prostředí a rentgenového záření na mechanické charakteristiky a další fyzikální vlastnosti se používá množství mechanických zkoušek od „nano“ do makroskopické úrovně měřených na systémech dostupných v LBČ i ve spolupráci s dalšími výzkumnými institucemi a průmyslovými partnery.

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Ing. Lukáš Franta, Ph.D.
lukas.franta@fs.cvut.cz
//mechanika.fs.cvut.cz/