Nanotechnologie: dokonalé kostní implantáty

Ve Spojených státech se ročně použije na 300 tisíc kolenních a na 150 tisíc kyčelních implantátů. Tyto implantáty jsou z materiálu, který pro lidský organismus není vhodný. Z tohoto důvodu se Tomsia domnívá, že současné poznatky nanotechnologie v materiálové vědě umožní vyvinout hmotu, jež dokáže organizmus lépe přijmout a která bude mít navíc daleko příznivější vlastnosti, jako jsou pružnost, pevnost, ale zároveň i lehkost a pórovitost.

Tým kalifornské Berkley Lab vedený Antoniem Tomsiou získal několikamilionový grant na vývoj ortopedických implantátů nové generace, které jsou založeny na studiu hmoty na úrovni nanometru. Ačkoli je výzkum konstrukce „umělého biomateriálu“ teprve na počátku, slibuje nadějné výsledky, takže lze předpokládat, že najde již brzy uplatnění v medicíně.

Hovoří-li se o nanotechnologii v medicíně, často se poukazuje na možnosti konstrukce nanodávkovačů léků, miniaturních strojů, které se budou pohybovat v cévách a dopravovat účinné látky přímo do míst, kde je potřeba ovlivňovat biochemické pochody. Anebo se popisují možnosti nanotechnologické chirurgie, využívající miniatruních nanobotů vybavenými laserovými paprsky. Ty budou naprogramovány k provádění chirurgických výkonů bez vážnějšího porušení tkáně.

To vše jsou jistě zajímavé a značně optimistické vize, ale jak se ukazuje, nanotechnologie se lékařství nejprve projeví v jiné, neméně významné oblasti. Je to obor konstrukce nových inteligentních materiálů, které poslouží při výrobě vysoce kvalitních implantátů nové generace. Že nejde o pouhé vize snílků, dokazuje skutečnost, že v minulých dnech získal Antoni Tomsia, americký vědec polského původu, na vývoj těchto materiálů od Amerického národního úřadu zdraví (National Institutes of Health, NIH) grant ve výši 4,3 milionu dolarů.

Dr. Antoni P. Tomsia působí v kalifornské laboratoři v Berkley (Berkeley Lab´s Materials Sciences Division), kde se už více než dvacet let zabývá právě vývojem inteligentních materiálů. „Vyvinout nový druh biomateriálu, který nahradí kovové a umělohmotné implantáty, je dnes pro současnou vědu nejen výzvou, ale i nutností,“ poznamenal Tomsia při příležitosti předání grantu. „Jedná se ovšem o interdisciplinární práci, která zahrne nejnovější poznatky z několika oborů, chemie, biologie, materiálové vědy a medicíny.“

Jeho slova potvrzují statistiky NIH, které uvádějí, že ročně se ve Spojených státech použije na 300 tisíc kolenních a na 150 tisíc kyčelních implantátů. Tyto implantáty jsou z materiálu, který pro lidský organismus není vhodný. Z tohoto důvodu se Tomsia domnívá, že současné poznatky nanotechnologie v materiálové vědě umožní vyvinout hmotu, jež dokáže organizmus lépe přijmout a která bude mít navíc daleko příznivější vlastnosti, jako jsou pružnost, pevnost, ale zároveň i lehkost a pórovitost. Takové vlastnosti mají kompozitní materiály založené na zejména bázi vápníku a fosforu, např. neorganická látka obsažená v kostech a označovaná jako hydroxyapatit (HA, http://www.hydroxyapatite.com). Tato látka, využívaný již v lékařství např. v kombinaci s kolagenem je horkým favoritem při přípravě materiálu vhodného pro ortopedické implantáty.

Vědci při konstrukci tohoto materiálu vycházejí ze studia počítačových třídimenzionálních modelů, které simulují nejen mechanické vlastnosti, ale i děje při formování kostí v organismech. Tyto postupy umožňují např. poznat, jak nanostruktura určité látky ovlivňuje její vlastnosti a odolnost vůči opotřebení, což je pro vývoj těchto implantátů klíčové. V testech právě hydroxyapatit v kombinaci s polymerními materiály prokazuje jak na makroskopické, tak i na mikroskopické úrovni obdobnou strukturu, jakou nacházíme v kostech. Nanočástečky hydroxyapatitu kombinované technikou stereolitografie s několika vrstvami polymerových materiálů vykazují v laboratorních testech v Berkley Lab tak nadějné výsledky, že přesvědčily i komise NIH, aby grant putoval právě do tohoto výzkumného pracoviště.

Ačkoli kost působí dojmem naprosté strnulosti, ve skutečnosti je ve svém nitru plná života. Nepřetržitá výstavba a odbourávání kostní dřeně se stará o to, aby se stav kostí stále přizpůsoboval požadavkům těla. Bude ještě dlouho trvat, než se lidem podaří napodobit životní funkce kostí. I když dnes víme, co na činnost těchto buněk působí (např. které druhy vitamínů a hormonů), napodobení těchto procesů je stále ještě hudbou vzdálenější budoucnosti. První krokem může ovšem být vyvinutí materiálu, který se svými vlastnostmi kostem přizpůsobí, třebaže zatím nebude umět odpovídat dějům na úrovni biochemických pochodů - činnosti buněk označovaných jako osteoblasty a osteoklasty, budující a odbourávající kostní materiál. Z tohoto důvodu umělý samoopravující se skeleton zůstane ještě řadu let doménou sci-fi literatury.

Výzkum, jehož cílem je nalézt nejvýhodnější materiál pro ortopedické implantáty nové generace, je tedy i přes výše zmíněné úspěchy teprve na počátku. Grant NIH přidělený dr. Antoniu Tomsiovi umožní pokračovat ve zdokonalování technologie vázání hydroxyapatitu tak, aby vznikl co nejúčinnější biomateriál schopný nahradit části kostí a kloubů. Jak se Tomsia vyjádřil na tiskové konferenci, počítá rovněž s tím, že svůj tým rozšíří o další odborníky.

Další informace
National Institutes of Health, NIH
http://www.nih.gov

Lawrence Berkley National Laboratory
http://www.lbl.gov