W leczeniu skoliozy wczesnodziecięcej kręgosłup trzeba ustabilizować i korygować jego skrzywienie, ale zarazem umożliwić mu dalszy wzrost. Służą do tego m.in. specjalne systemy, w których wraz ze wzrostem dziecka elementy implantu mogą przesuwać się względem siebie. Takie ruchome połączenia pracują przez długi czas pod zmiennym obciążeniem. Dochodzi w nich do tribokorozji, czyli jednoczesnego ścierania powierzchni oraz zaburzenia ochronnej warstwy pasywnej materiału, co może prowadzić do uwalniania produktów zużycia i reakcji tkanek otaczających implant. Zespół prof. Celiny Pezowicz z Wydziału Mechanicznego PWr sprawdził, czy skutki tych procesów można ograniczyć za pomocą nanokompozytowych powłok z węgla podobnego do diamentu (z ang. diamond-like carbon, DLC). Są one twarde, odporne na ścieranie, stabilne chemicznie i mają niski współczynnik tarcia.

Uniknąć bólu i wielu operacji

– Praca przesuwnych elementów implantu powoduje powstawanie drobnych produktów zużycia, czyli mikroskopijnych cząstek metalu i ich jonów. Wnikają one do tkanek otaczających implant, powodując tzw. metalozę, odczyny zapalne, dolegliwości bólowe, a w skrajnych przypadkach – osteolizę i poluzowanie lub odrzucenie implantu – mówi prof. Celina Pezowicz. Powikłania lub uszkodzenie systemu mogą oznaczać konieczność wcześniejszej operacji rewizyjnej. Dla dziecka to kolejny zabieg, ryzyko infekcji, rekonwalescencja i dodatkowy stres. – Nasz zespół bada rozwiązania mogące ograniczać mechaniczne zużycie i korozję implantów. Szczególnie obiecujące są powłoki DLC, czyli diamentopodobne, ich modyfikacje, a także powłoki ceramiczne. Zależy nam na dokładnym poznaniu potencjału różnych materiałów ochronnych, aby w przyszłości wskazać te najbardziej niezawodne dla chirurgii kręgosłupa – dodaje prof. Pezowicz.

Jak odtworzyć środowisko organizmu?

Badania implantów stosowanych w systemach kierowanego wzrostu kręgosłupa miały charakter doświadczalny i zostały przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych in vitro. Testy pozwoliły na symulację rzeczywistych obciążeń mechanicznych oraz ruchów mikroprzesunięć, jakie zachodzą na styku śruby i pręta w kręgosłupie rosnącego dziecka. – Głównym wyzwaniem było dla nas wierne odtworzenie skomplikowanych warunków eksploatacji implantu w środowisku laboratoryjnym – komentuje dr inż. Klaudia Szkoda-Poliszuk. Wymagało to od naukowców starannego zaprojektowania układu pomiarowego i dobrania właściwych parametrów testów, ponieważ w ciele pacjenta połączenie śruby i pręta podlega stale zmieniającym się obciążeniom biologicznym i mechanicznym. – Testy tribokorozyjne prowadziliśmy w obecności płynu ustrojowego. Ocenialiśmy odporność na zużycie ścierne układu pod wpływem długookresowego oddziaływania tarciowego. Choć badania przeprowadzono in vitro, ich parametry dobrano tak, aby możliwie wiernie odzwierciedlały warunki biomechaniczne oraz zjawiska zachodzące w organizmie pacjenta – dopowiada dr Szkoda-Poliszuk.

Mniejsze zużycie w trudnych warunkach

Wyniki opublikowane przez zespół Politechniki Wrocławskiej w renomowanym czasopiśmie „Wear” pokazały, że elementy z powłoką DLC zużywały się mniej, miały niższy współczynnik tarcia oraz większą odporność mechaniczną niż elementy ze standardową warstwą pasywną. – Wykazywały nawet kilkukrotnie mniejszy ubytek masy. Oznacza to, że podczas pracy połączenia śruby i pręta powstaje znacznie mniej niepożądanych cząstek zużycia – tłumaczy prof. Celina Pezowicz.

Inną zaletę ujawniła symulacja środowiska kwaśnego, jakie pojawia się przy stanach zapalnych w organizmie. W takim otoczeniu niepowlekane elementy ulegają silnemu zużyciu i wykazują wysoki współczynnik tarcia. Powłoka DLC zredukowała ten negatywny wpływ, utrzymując tarcie na poziomie stabilnym, zbliżonym do warunków fizjologicznych. – Uzyskane wyniki wskazują również na poprawę właściwości fizykochemicznych implantu. Zastosowanie DLC zmieniło właściwości powierzchniowe stopu Ti6Al4V, zmniejszając jego swobodną energię powierzchniową, co ogranicza niepożądane oddziaływania z agresywnym środowiskiem biologicznym – uzupełnia dr inż. Klaudia Szkoda-Poliszuk. 

Powłoka z potencjałem

Badania przeprowadzone przez naukowców PWr pokazały, że zastosowanie diamentopodobnej powłoki DLC zwiększa odporność ruchomych elementów implantu na tarcie i tribokorozję oraz ogranicza ilość powstających produktów zużycia. Kolejne etapy mają pozwolić ocenić, czy takie rozwiązanie może sprawdzić się w implantach stosowanych u pacjentów. – Dla naszego zespołu niezwykle ważne jest szukanie rozwiązań, które w realny sposób mogą poprawić bezpieczeństwo i komfort najmłodszych pacjentów – kończy prof. Celina Pezowicz.

Artykuł i fotografie: Politechnika Wrocławska