Mariborski raziskovalci z bioaktivni prevlekami za ortopedske vsadke naslavljajo izziv starajoče družbe

Interdisciplinarna skupina raziskovalcev Univerze v Mariboru (UM) razvija inovativne rešitve za biomedicinske aplikacije na področju ortopedije in dentalne medicine. Zasnovali so inovativne bioaktivne prevleke za 3D tiskane ortopedske vsadke iz biokompatibilnih materialov. Posebnost prevlek je v tem, da lahko vsebujejo protibolečinske, protimikrobne in protivnetne zdravilne učinkovine, ki se po ortopedskem posegu v želenih koncentracijah nadzorovano sproščajo v neposredno okolico vsadka.

S tem se zmanjšajo neželeni učinki, ki so lahko sicer prisotni pri sistemskem zdravljenju. Prevleke tako zaradi svojih lastnosti in nadzorovanega sproščanja učinkovin izboljšajo učinkovitost vraščanja vsadka v človeško kost.

"Na ta način razvijamo rešitve, ki bodo bistveno izboljšale ortopedske operacije in preprečile ali pa vsaj minimizirale pooperativne težave," je povedal vodja Laboratorija za analizno kemijo in industrijsko analizo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo (FKKT) UM Matjaž Finšgar, ki je letos prejel tudi Zoisovo priznanje za pomembne dosežke na področju razvoja nekonvencionalnih orodij v analizni kemiji.

Rešitve slovenskih raziskovalcev ključne v luči starajoče se družbe

Tovrstne rešitve so po besedah Finšgarja še posebej pomembne v luči starajočega se prebivalstva, kronične debelosti, ortopedskih poškodb in osteoartritisa, ki sodijo med glavne razloge za povečevanje števila ortopedskih operacij. Vse skupaj prispeva k vrtoglavim stroškom zdravstva v Sloveniji in svetu. Ortopedske operacije so namreč zahtevne, vsaka predstavlja poškodbo tkiva in veliko tveganje, v skrajnem primeru se lahko končajo tudi s smrtjo. Zato je glavni cilj razvoja sodobnih vsadkov dolgoletno preživetje vsadka ob dobri funkcionalnosti, je pojasnil Finšgar.

Trenutno po besedah Finšgarja kot materiali za ortopedske vsadke prevladujejo različne kovine, kot so nerjavno jeklo in titanove zlitine. Te telo lahko prepozna kot tujek in jih prične zavračati, kar lahko vodi do zapletov ali ponovnih operacij. Posledično je razvoj naprednih biomaterialov za ortopedske vsadke, ki omogočajo boljše zaraščanje umetnega vsadka in žive kosti in preprečujejo potencialne pooperativne zaplete, zelo aktualen.

Do izboljšanih lastnosti vsadkov s tehnologijo 3D tiska

Raziskave mariborskih raziskovalcev so trenutno usmerjene v razvoj kovinskih vsadkov s tehnologijo 3D tiskanja, ki poteka v sodelovanju z Laboratorijem za dodajalno izdelavo na Fakulteti za strojništvo UM pod vodstvom Igorja Drstvenška.

Napredna tehnologija 3D tiska omogoča personaliziran pristop. To pomeni, da obliko vsadka s pomočjo diagnostičnih posnetkov in računalniškega modeliranja prilagodijo potrebam pacientov, pa tudi kirurgov. V laboratoriju 3D tiskajo tudi vsadke na osnovi titanove zlitine TiAlV, znane po dobri vzdržljivosti in biokompatibilnosti.

"Namen vsega tega razvoja je narediti vsadek, ki bo bolje kot običajni, trenutno dostopni vsadki, opravil svojo funkcijo - to je, zapolnil nek defekt in ohranil biomehansko ravnovesje ter s čim manj zapleti pacienta pripeljal do dolgotrajne rešitve," je povedal Drstvenšek.

Ena ključnih prednosti 3D tehnologije v primerjavi s klasičnimi postopki, kot sta denimo struženje in rezkanje, je, da lahko na površino vsadka natisnejo tudi posebno strukturo v obliki por, katerih velikost in globino prilagajajo pričakovani obremenitvi v telesu. Pore vsadkom dajejo poroznost, kar lahko izboljša vraščanje v kosti in oprijem, poveča trenje v telesu, hkrati pa pore služijo tudi kot prostor za različne oblike dostavnih sistemov za zdravilne učinkovine, kot so polimerne prevleke in hidrogeli, je pojasnil Drstvenšek.

S pomočjo naprednih metod razvijajo različne bioaktivne prevleke

Interdisciplinarno povezovanje mariborskih raziskovalcev je vodilo v zasnovo več različnih bioaktivnih prevlek. Med drugim so pripravili plastovite prevleke z izmenjujočimi se plastmi biorazgradljivih polimerov in zdravilnih učinkovin, pri čemer lahko s številom plasti enostavno nadzorujejo sproščanje zdravilnih učinkovin v okolico vsadka.

V sodelovanju z Laboratorijem za separacijske procese in produktno tehniko FKKT UM pa so pod vodstvom Željka Kneza pripravili tudi bioaktivne prevleke s pomočjo naprednih metod, ki vključujejo uporabo ogljikovega dioksida v superkritičnem stanju. Gre za stanje nad kritično točko, pri katerem se snovi po fizikalnih lastnostih nahajajo med plini in tekočinami. Tovrstne metode raziskovalci izkoriščajo za oblikovanje poroznih polimernih prevlek kot nosilcev zdravilnih učinkovin.

Učinkovitost prevlek preverjajo z naprednimi tehnikami površinske analize

Da pa bi bile bioaktivne prevleke zares varne in učinkovite, raziskovalci njihove lastnosti preverijo z uporabo interdisciplinarnih eksperimentalnih pristopov in analitskih tehnik.

V Laboratoriju za analizno kemijo in industrijsko analizo, ki ga vodi Finšgar, denimo ugotavljajo, ali je bila vgradnja zdravilnih učinkovin v bioaktivne prevleke uspešna, ali je njihova porazdelitev homogena, določijo pa tudi potek njihovega sproščanja. Zdravilne učinkovine se morajo namreč sproščati v točno določenih koncentracijah in ob točno določenem času, da dosežejo želeni učinek, je pojasnil raziskovalec.

Pri analiziranju kemijske strukture pripravljenih prevlek se v Finšgarjevem laboratoriju poslužujejo naprednih tehnik površinske analize, kot sta tandemska masna spektrometrija sekundarnih ionov z analizatorjema na čas preleta (MS/MS ToF-SIMS) in rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS). Tehniki ToF-SIMS in XPS sta v kombinaciji z ionskim izvorom klastrov plina argona po Finšgarjevih besedah popolna novost v Sloveniji in velika redkost tudi širše. Gre za približno dva milijona evrov vredni napravi, pridobljeni v sklopu projekta, ki ga sofinancirata ministrstvo za visoko šolstvo, znanost in inovacije ter Evropska unija.

S predkliničnimi študijami preverjajo odziv človeških celic

S predkliničnimi študijami, ki jih na Inštitutu za biomedicinske vede na Medicinski fakulteti UM pod vodstvom Uroša Mavra opravljajo na prevlekah, ocenijo varnost prevlek za uporabo, hkrati pa vrednotijo tudi učinkovitost za vraščanje v kost v laboratorijskih pogojih. Pri tem uporabljajo širok nabor testov, s katerimi preverjajo odziv človeških kostnih (pa tudi drugih, npr. mezenhimskih matičnih) celic na kovinske vsadke z bioaktivnimi prevlekami.

"Zanima nas, kako dobro se celice odzivajo na material in kako bi lahko to prispevalo k boljši vgradnji oziroma boljši sprejemljivosti vsadkov za telo. V tem smislu nas zanima ne le rast celic in ohranjanje njihovih lastnosti ob izpostavitvi, ampak tudi njihova tvorba pomembnih "neživih" sestavnih delov kosti (kar imenujemo mineralni del kosti). S pomočjo celičnih testov lahko v laboratoriju med seboj primerjamo materiale in izbiramo najboljše za uporabo na vsadkih, ter seveda zavržemo neprimerne," je pojasnil Maver.

Kot je še dodal Maver, so njihovi inovativni vsadki z bioaktivnimi prevlekami primerni za uporabo. Ključen korak, ki ga potrebujejo do dejanske vpeljave izdelkov na trg, pa so klinične študije. Te so velik finančni in logistični zalogaj, zato se nadejajo večjih evropskih projektov in potencialnih investitorjev.

"Naša dolgoročna vizija pa je zasnova personaliziranih biomedicinskih pripomočkov, prilagojenih bolnikovi anatomiji in farmakoterapiji. Poudariti je treba, da lahko že najmanjši doprinos k znanosti na tem področju močno izboljša stopnjo uspešnosti ortopedskih posegov, s tem pa pripomore h kakovosti življenja posameznikov in celo prepreči smrt zaradi pooperativnih zapletov," so še dodali mariborski raziskovalci.