Zdrowie kości: specjalny film pomaga chronić implanty kości

Każdego roku, ponad 1 000 000 Amerykanów przechodzi operację wszczepienia sztucznego biodra albo protezy kolana. Takie implanty mają wytrzymać przez wiele lat, ale u około 17% pacjentów, którzy mają zastąpiony cały staw, implant w końcu się zużywa i musi być zastąpiony wcześniej, ponieważ powoduje bardzo niebezpieczne komplikacje u starszych pacjentów.

Aby więc zminimalizować liczbę tych ciężkich operacji, zespół naukowców ze słynnego amerykańskiego instytutu MIT opracował nową powłokę dla implantów, która pomoże im lepiej przylgnąć do kości, w ten sposób zapobiegając przedwczesnym defektom.

Ten ochronny ekran pozwoli implantowi wytrzymać dłużej, co zmniejszy ryzyko pęknięcia albo infekcji, mówi doktor Paula Hammond, profesor inżynierii na MIT, a także główna autorka badania.

Prace te ukazały się w przeglądzie naukowym Advanced Materials.

Powłoka stworzona przez amerykańskich naukowców pobudza organizm do produkcji kości, która utwierdza implant na miejscu.

Oznacza to, że powłokę tę będzie można również użyć do leczenie złamań kości, a także do ulepszenia implantów dentystycznych, mówi doktor Paula Hammond.

Alternatywa do cementu kostnego

Sztuczne biodra składają się z metalowej kuli na trzonie. Taka proteza łączy miednicę z kością udową. Kula obraca się wewnątrz plastikowego kapturka dołączonego do wnętrza gniazda biodrowego. I podobnie, protezy kolana to płytka oraz trzon, które umożliwiają poruszanie się kości goleniowej oraz kości udowej.

Aby utwierdzić taki implant, lekarze posługują się cementem kostnym, czyli polimerem, który podobny jest do szkła, kiedy stwardnieje. W niektórych przypadkach, cement ten pęka, a implant oddziela się od kości, wywołując chroniczny ból oraz utratę mobilności.

Typowo, w takim przypadku, implant zostaje usunięty i zastąpiony, co powoduje ogromną utratę tkanki u pacjenta, do której by nie doszło, gdyby implant nie zawiódł, mówi drugi autor badania, Nisarg Shah z laboratorium Pauli Hammond. My chcielibyśmy zapobiec tym pęknięciom pokrywając te implanty materiałami, które mogą pobudzić proces produkowania kości przez organizm. Taka kość wrasta w implant i pomaga utrzymać go na miejscu.

Nowa powłoka to bardzo cieniutki ekran ochronny, mający od stu nanometrów do jednego mikrona grubości. Składa się ona z warstw materiałów, które sprzyjają szybkiemu wzrostowi kości. Jednym z tych materiałów jest hydroksyapatyt, który jest naturalnym składnikiem kości, zrobionym z wapnia i fosforanu.

Materiał ten przyciąga mezenchymalne komórki macierzyste ze szpiku kostnego i zapewnia interfejs do tworzenia nowej kości. Druga warstwa natomiast uwalnia czynnik wzrostu stymulujący mezenchymalne komórki macierzyste do przekształcenia się w komórki produkujące kości, które zwane są  osteoblastami.

Kiedy osteoblasty już powstaną, zaczyną produkować nową kość, aby wypełnić przestrzeń wokół implantu, eliminując konieczność zastosowania cementu kostnego. Zdrowa tkanka w tym miejscu wytwarza silniejsze połączenie i w sposób znaczący zmniejsa ryzyko infekcji bakteryjnej wokół implantu.

Ma to swoje zalety, ponieważ przy użyciu cementu kostnego powstaje martwa przestrzeń między istniejącą kością a trzonem implantu, i nie ma tam naczyń krwionośnych. Jeżeli bakterie skolonizują tę przestrzeń, będą się rozmnażać, a układ odpornościowy nie jest w stanie do nich się dostać i je zniszczyć.

Nowa powłoka będzie więc bardzo pomocna w zapobieganiu tego typu wydarzeniom. Kość potrzebuje co najmnie 2 – 3 tygodnie, aby wypełnić i całkowicie ustabilizować implant, ale pacjent w dalszym ciągu może chodzić i korzystać z fizycznej terapii w tym czasie, według badaczy z MIT.

Już wcześniej badacze próbowali tego typu eksperymentów z hydroksyapatytem, ale ekrany powstałe w ten sposób były dość grube i niestabilne, a także łamały się wraz z implantem. Inni badacze eksperymentowali z zastrzykami z czynnika wzrostu, ale w większości przypadków czynnik ten wyciekał poza implant.

Naukowcy z MIT mogą kontrolować grubość swojego filmu, a także ilość uwalnianego czynnika wzrostu, dzięki metodzie nazwanej „layer-by-layer assembly”.

Aktualnie, trwają badania nad zwierzętami, które już teraz pokazują obiecujące rezultaty: powłoka prowadzi do bardzo szybkiej produkcji kości, co zamyka implant tam, gdzie powinien być.