Kovové slitiny, které se používají k výrobě kloubních náhrad a kostních implantátů, musejí být velmi pevné a odolné, ale zároveň nebývale pružné. Výzkumníci z Japonska za pomoci vědců z Ústavu termomechaniky AV ČR vytvořili kovový materiál, který tyto zdánlivě si odporující vlastnosti spojuje. Slitina na bázi kobaltu a chromu napodobuje pružnost lidských kostí a je mimořádně odolná vůči opotřebení. V budoucnu tak může nahradit dnes v ortopedii běžně používané slitiny, a zmírnit tím obtíže, které pacientům implantáty způsobují. Objev se dočkal publikace ve vědeckém časopisu Advanced Materials.
Nová slitina označovaná jako CCAS (ze zkratek prvků Co-Cr-Al-Si, tedy kobaltu, chromu, hliníku a křemíku) má vlastnosti, které ji předurčují jako ideální materiál pro výrobu kostních náhrad. Objevili ji vědci z Ústavu termomechaniky AV ČR ve spolupráci s odborníky z japonské Univerzity Tohoku a Japonské agentury pro atomovou energii. „Slitinu připravili v Japonsku. My jsme zajišťovali především měření její pružnosti,“ popisuje Hanuš Seiner z Ústavu termomechaniky AV ČR, jeden z autorů objevu. „Naše světově unikátní zařízení přesně měří extrémně malé deformace. Pro představu, k zatížení materiálu při testech jsme používali ultrazvukové vlny,“ dodává.
Vědci se při přípravě slitiny na bázi kobaltu a chromu zaměřili na snížení rozdílu v ohebnosti mezi lidskou kostí a kovem. Ta je ovlivňovaná orientací krystalů kovových prvků ve struktuře. Vytvořili tedy kovové monokrystaly o velikosti několika centimetrů, a to s přesně danou prostorovou orientací.
Během testování v Ústavu termomechaniky AV ČR nová slitina vykázala až 17% ohebnost, kdy se po zátěži vrátila bez deformace do původního tvaru. To je dvojnásobná hodnota oproti dnes používaným materiálům na bázi niklu. Zároveň ale vykazuje velmi nízký modul pružnosti, tedy poměr mezi napětím a jím vyvolanou deformací. „Naše slitina je ze všech materiálů vyvíjených za účelem kostních náhrad nejblíž tomu, jak se chovají skutečné kosti,“ shrnul význam objevu Hanuš Seiner.
Ideální materiál bez kompromisů
Kovové kostní implantáty zná medicína již od počátku 20. století. Ty současné se vyrábějí z takzvaných biomateriálů, tedy slitin, které lidské tělo neodmítá a které svými vlastnostmi imitují živou tkáň.
Dnes používané slitiny kostních náhrad jsou sice odolné a pevné, ale oproti samotným kostem, ke kterým jsou připevněny, jsou o poznání méně flexibilní. Nerovnoměrné rozložení síly při namáhání může u některých pacientů vést k degradaci okolních kostí. Typickým důsledkem je osteoporóza neboli kostní atrofie. Ta je zapříčiněná úbytkem a řídnutím kostní dřeně a způsobuje, že některé části skeletu jsou pak náchylnější k frakturám.
Na druhou stranu existují moderní biomateriály, které se svou flexibilitou kostem podobají. Jejich nevýhoda je ale zcela opačná, mají nižní pevnost, odolnost. Vědci tedy vyvíjejí takové slitiny, které představují určitý kompromis: jsou pevné, trvanlivé a odolné, ale ohebné zároveň.
Materiály, které vynikají oběma požadovanými vlastnostmi, se běžně používají. Třeba slitina niklu a titanu nachází své využití ve stomatologii a dentální chirurgii. Jsou z ní vyrobeny například dráty pevných rovnátek. Problém ale tkví v použitém prvku niklu. Pacient na něj může mít alergickou reakci. Bohužel, při experimentech se slitinami, v nichž byl tento prvek nahrazen, materiály svou pružnost ztratily.
Z laboratoří až na operační sály
Čeští a japonští vědci nyní hodlají vlastnosti nové slitiny důkladněji prostudovat a detailně popsat mechanismy jejího chování. Doufají, že poznatky z těchto experimentů a měření napomohou dalšímu vývoji kovových materiálů v budoucnu. A to nejen pro využití v medicíně.
Samotnou slitinu CCAS čeká z laboratoří na chirurgické sály ještě dlouhá cesta. „Je potřeba, aby prošla regulérním klinickým výzkumem,“ připomíná Hanuš Seiner. „Je před ní celý proces, na jehož konci se bude moci zařadit mezi běžně používané materiály kostních náhrad,“ uzavírá.
Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (18.6.2022)