Kostní implantáty na míru - prodlužme si mládí

Velký rozvoj je pozorovatelný ve všech oblastech medicíny, ale zejména při operacích kosterního systému. Úspěšnost těchto aplikací je však podmíněna celým řetězcem dílčích technických a chirurgických kroků – od prvního vyšetření až po úplnou rehabilitaci.

Mezi hlavní příčiny potřeby kosterních náhrad lze uvést následující:

- vrozené – řeší se u dlouhých kostí zejména jejich prodlužováním a „dopěstováním“ vlastních tkání v mladém věku, obvykle pomocí vnějších fixátorů typu Ilizarev nebo Orthofix (viz obr. 1);

- infekce – způsobené určitými kmeny bakterií, napomáhající chemickému rozpouštění kostních tkání;
- traumatické – zahrnuje širokou škálu nejrůznějších nehod a zranění, končících chybějící končetinou nebo její podstatné části;
- vlastním opotřebením – lidský věk se prodlužuje rychleji než adaptace orgánů na jejich dlouhodobější zatížení. Ne silou, ale četností se obrousí i kámen padající vodou a podobně je to se všemi třecími dvojicemi. V případě lidských kloubů se jedná o ztráty nejen chrupavek, ale i vlastních kortikálních nebo spongiózních částí.

V dnešní době existují v podstatě tři druhy materiálů pro kostní implantáty.

Biotolerantní
Ty mohou mírně uvolňovat určité množství netoxických částic do svého okolí, které se však nesmí šířit dále do lidského těla. To musí být zabráněno např. přítomností vláknitých pojivových tkání nebo i slabou imunní reakcí. Příkladem mohou být např. korozivzdorné oceli pro různé šrouby, hřeby, fixátory.

Bioinertní
Jedná se o materiály s malou chemickou interakcí s okolními tkáněmi, která se zastaví například vytvořením vláknité pojivové obálky kolem těchto míst. Příkladem mohou být například dvoufázové titanové slitiny typu TiAl64V pro nosníky totálních endoprotéz, slitiny CoCrMo pro kolenní implantáty, keramika na bázi oxidu hlinitého a zirkoničitého (Y-TZP) pro dentální náhrady a vysokomolekulární polyetylen pro kolenní implantáty. Pro tato kontaktní místa se doporučuje výhradně aplikovat tlaková normální zatížení, což je velmi obtížné u kolenních náhrad.

Bioaktivní
Jedná se o materiály, které stimulují růst kosti a regeneraci tkání in vivo a v tomto případě dojde k tvorbě chemických pojivových můstků schopných přenášet smyková i do jisté míry tahová napětí. Příkladem je třeba hydroxyapatit, který se používá pro kostní výplně, povlaky, ale i ušní implantáty. Snadné vzájemné prorůstání je dáno stejným chemickým složením vlastní kosti a tohoto přídavného materiálu, který se na fixační části nanáší například pomocí termálních nástřiků. Vlastní nástřik bývá porézní, tělo dříku hrubé, což umožní tvorbu kostních můstků a silnou fixaci.

Zobrazovací technika doznala obrovského rozmachu a klasický rentgenový snímek je již jen pomocnou dokumentací, i když stále velmi rychlou a užitečnou. Pro přesné individuální náhrady lze v současnosti využívat zejména výpočetní tomografii – CT (Computed Tomography), která pracuje na principu zpracování obrazu pomocí rentgenových paprsků procházejících tělem v mnoha úhlech a dopadají na detektor záření. Počítač vypočítává z matematických rovnic řezy tělem a postupně vytváří 3D obraz sledovaného místa. Při tomto vyšetření je tělo však zatěžováno RTG zářením, které odstraňuje druhá metoda
– magnetická rezonance (MR). Tato technika využívá rozkmitání atomů v silném magnetickém poli, přičemž vzniká indukované napětí, které se dále numericky zpracovává a pomocí počítače se vytvoří 3D obraz. Lidské tělo při vyšetření není zatěžováno žádným zářením, ale kontraindikací mohou být již jiné kovové implantáty v těle, které se zahřívají, nebo kardiostimulátor, který může selhat.

Nejvíce je dnes propracována výroba dentálních implantátů, které se vyrábějí prakticky sériově pomocí digitalizace klasických otisků (obr. 2), nebo modelováním celých kostních částí (obr. 3).

Vlastní výroba individuálních implantátů může zahrnovat aplikaci přesného lití, CNC obrábění nebo některou z technologií spékání z kovových prášků. CNC obrábění začíná být téměř standardizováno, ale i přesto si řada firem uchovává tvorbu vlastních modelů a algoritmů obrábění. To bylo možné pozorovat například na Siemens Roadshow, konané ve spolupráci s firmami DMG a Iscar (obr. 4). Funkční plochy se dokončují jemným obráběním s aplikací mikroobrábění (obr. 5), leštění nebo dalšího povlakování. To může být realizováno pomocí bioaktivních povlaků na vnitřní straně implantátu, což podpoří prorůstání vlastní kosti, zatímco na povrchu musí být povlak odolný podmínkám až suchého tření. Testování úspěšnosti se provádí v tribologických specializovaných zkušebnách s aplikací fyziologických roztoků nebo i za sucha.

br. 5. Zkušební vzorek hlavice kyčelního kloubu se závity a výztužemi

Mechanické zkoušky odolnosti implantátů se dělí na statické, realizované pomocí modifikace tlakových zkoušek za účelem rozdrceni implantátu, a dynamické, kdy se měří určitý počet cyklů (analogicky s únavovými testy). V praktických podmínkách se dosahuje u standardních implantátů trvanlivosti 5 až 15 let. Pak následuje výměna a podobná operace. Individuální implantáty představují potenciál pro optimalizaci tvaru, hmotnosti a únosnosti, který tuto dobu užití může výrazně prodloužit.

Důležitou fází operace je proměření a přesné slícování dosedacích ploch (obr. 6). U standardních implantátů vyráběných v sadách 6 až 15 kusů jsou k dispozici odpovídající šablony a šikovné ruce operatéra, ale u individuálních náhrad se bude muset použít jiné technologie. V úvahu přichází například robotické obrábění přezrcadlené vnitřní plochy implantátu, která se získá z reálného implantátu digitalizací (skenováním). Obrobení, opětovaná digitalizace obrobené plochy laserovým paprskem, srovnání odchylek a případná finalizace tvaru obrobením reziduálních kostních části bude zahrnuta „v kompetenci“ této robotické jednotky.

Není snad horších okamžiků v životě lidském, než když se například z rádia ozve zamilovaná písnička, střetnou se pohledy manželů a oni si ji spolu nemohou užít tak jako před lety. A tak je člověk nucen rezignovat a přiznat své zařazení do podzimu života, mezi seniory. Ale on je přece duchem stále mladý, tak proč ne tělesně! Zrádná bolest však tyto vzpomínky rychle rozptýlí. Ale to nebude nevyhnutelné. Při současném stavu naší společnosti ještě nelze tyto operace hradit plošně ze zdravotního pojištění, ale čas se již blíží. Zároveň přibývá lidí, kteří si tento druh operace mohou dovolit. Jedná se o důležitý mezník s dalšími následky a změnou celého životního stylu. Není vyloučeno, že v dohledné době bude výměna opotřebovaných kloubů přirovnávána s jistou nadsázkou k výměně pneumatik. Takže až to přijde – a  snad to nebude trvat dlouho a nebude se jednat o proces závratně drahý a časově náročný –, pak hlavně nezapomeňte s sebou cvičební úbor!

Prof. Ing. Miroslav Píška, CSc.
Ing. Aleš Polzer, Ph.D.

FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie