Biomateriały dla medycyny regeneracyjnej

Choroby zwyrodnieniowe stawów, takie jak osteoartroza stanowią coraz większy problem w społeczeństwie nie tylko wśród pacjentów w podeszłym wieku. Uszkodzenie i postępująca degradacja tkanki chrzęstnej w stawach są wynikiem naturalnych procesów starzenia się, ale rozwojowi choroby sprzyja również brak ruchu, siedzący tryb pracy, niewłaściwa dieta czy otyłość. Ze względu na swoją budowę tkanka chrzęstna tylko w niewielkim stopniu ulega regeneracji. Dlatego, pomimo znaczącego postępu w medycynie, nadal najlepszym rozwiązaniem w przypadku zaawansowanej osteoartrozy jest zastąpienie uszkodzonego stawu implantem.

Prof. Aleksandra Czyrska-Filemonowicz oraz dr inż. Joanna Karbowniczek przy mikroskopie Merlin Gemini II (fot. Michał Łepecki) Głównym celem prac koncepcyjnych i badań zaproponowanych w projekcie był rozwój innowacyjnych biomateriałów (bioaktywnych powłok kompozytowych i rusztowań komórkowych z nanowłókien polimerowych) mający za zadanie doprowadzenie do znacznej poprawy w leczeniu ubytków kostnych i zmian zwyrodnieniowych kości oraz tkanki chrzęstnej. Było to możliwe dzięki wykorzystaniu interdyscyplinarnych badań z zakresu nowoczesnej inżynierii materiałowej i inżynierii tkankowej opartej na komórkach macierzystych. Cele szczegółowe projektu uwzględniały wytworzenie biomateriałów, charakterystykę ich właściwości mikromechanicznych, ocenę przyczepności powłok do podłoży, jakościową i ilościową charakterystykę mikro- oraz nanostruktury, a także badania topografii powierzchni biomateriałów i ich biozgodności. W projekcie postulowano, że mikroporowate powłoki kompozytowe PEEK/Bioszkło (wytworzone za pomocą osadzania elektroforetycznego) oraz powłoki TiO2/Ca-P i TiO2/HAp (wytworzone za pomocą elektrolityczno-plazmowego utleniania) wpłyną na poprawę jakości połączenia stopu tytanu z tkanką kostną. Z tego względu wykonano badania podstawowe umożliwiające ustalenie wpływu mikro- i nanostruktury, składu fazowego oraz porowatości biomateriałów po obróbce powierzchniowej na ich bioaktywność i biozgodność.

Do budowy elementów implantów mających bezpośredni kontakt z tkanką kostną wykorzystuje się najczęściej stopy tytanu, co wynika z ich dobrej odporności korozyjnej, korzystnych właściwości mechanicznych i wytrzymałościowych oraz niskiej gęstości. Dodatkowo stopy tytanu często poddaje się obróbce powierzchniowej, m.in. w celu przyspieszenia procesu stabilizacji implantu po operacji. Już pierwsze wyniki badań implantów tytanowych po obróbce powierzchniowej wykazały potrzebę rozszerzenia tematyki projektu, co znalazło odzwierciedlenie w tezach pracy doktorskiej dr inż. Joanny Karbowniczek. Celem doktoratu było opracowanie, wytworzenie i kompleksowa charakterystyka powłok nanoszonych na powierzchnię stopów tytanu w celu poprawy ich bioaktywności i biozgodności. Powłoki wytwarzano za pomocą utleniania elektrolityczno-plazmowego (ang. micro-arc oxidation, MAO) oraz osadzania elektroforetycznego, testując różne parametry obu procesów. Dzięki optymalizacji warunków procesu MAO otrzymano powłoki o dużej chropowatości, porowatości, dobrej przyczepności do podłoża, zawierające w zewnętrznej warstwie krystaliczny hydroksyapatyt. Te powłoki wykazywały dobrą bioaktywność i biozgodność na podstawie badań in vitro. Otrzymane powłoki były charakteryzowane przy użyciu zaawansowanych technik mikroskopii, spektroskopii i tomografii elektronowej. Wykorzystanie analitycznego mikroskopu elektronowego najnowszej generacji (S)TEM FEI Titan Cubed 60-300 z unikalnym oprzyrządowaniem, jakim dysponuje Centrum Mikroskopii IC-EM, pozwoliło na wykorzystanie najnowszych metod analitycznej mikroskopii elektronowej do badań mikro- i nanostruktury biomateriałów, aż do niedostępnej dotychczas skali atomowej. Ponadto wykonano pionierskie prace dotyczące obrazowania połączeń między komórkami a powierzchnią powłoki w przestrzeni trójwymiarowej przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego z działem jonowym (ang. focused ion beam, FIB).

Interdyscyplinarne badania, wykorzystanie najnowszych osiągnięć różnych dziedzin nauki (takich jak inżynieria materiałowa, biotechnologia, inżynieria tkankowa) i nowoczesnych technologii (wytwarzanie powłok, rusztowań komórkowych) oraz zaawansowanych metod badawczych umożliwiły zrealizowanie zadań i celów podjętych w projekcie. Uzyskane wyniki były z powodzeniem prezentowane na międzynarodowych i krajowych kongresach i konferencjach naukowych oraz zostały opublikowane w czasopismach z bazy JCR. Wymiernym wynikiem projektu jest także rozprawa doktorska dr inż. Joanny Karbowniczek p.t. „Microstructure, cellular response and selected properties of titanium based biomaterials applied in regenerative medicine of bone tissue and joints” (aktualnie w finalnej fazie opracowania).

Projekt zrealizowany dzięki finansowaniu w konkursie HARMONIA 3 stanowił doskonałą platformę do nawiązania i pogłębienia współpracy międzynarodowej. Badania były prowadzone we współpracy z prof. F. Rustichellim z Università Politecnica delle Marche (Ancona, Włochy), prof. Aldo R. Boccaccinim z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Erlangen, Niemcy) i prof. E. Amlerem z Institute of Experimental Medicine of the Czech Academy of Sciences (Praga, Czechy), a także z prof. H. Cimenoglu z Istanbul Technical University (Stambuł, Turcja). Ważnym czynnikiem w skutecznej realizacji założeń projektu było szerokie doświadczenie badawcze partnerów projektu oraz możliwość wykonania części badań przy użyciu aparatury dostępnej w zagranicznych ośrodkach naukowych. Doświadczenie nabyte przez zespół badawczy we współpracy międzynarodowej umożliwiło dokończenie prac związanych z organizacją nowego Laboratorium Biomateriałów, które poszerzyło ofertę badawczą i dydaktyczną Centrum Mikroskopii i Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH.

Zespół Międzynarodowego Centrum Mikroskopii Elektronowej dla Inżynierii Materiałowej w okresie realizacji projektu OPTYMED (fot. Stanisław Malik, 2015 r.)