Kovové biomateriály

V lidském těle je řada vysoce mechanicky namáhaných uzlů. Typicky se jedná (nejen) o všechny velké klouby. Pokud dochází k jejich selhávání, pak od prvopočátků aplikace implantátů představují kovy materiály první volby pro konstrukci náhrad. Nicméně je v rámci objektivity třeba konstatovat, že v řadě případů jsou implantáty komplexními systémy obsahujícími též polymerní a anorganické/keramické komponenty. Kovovým biomateriálem je, na základě ne zcela vyčerpávající definice, systém založený na jedné nebo více kovových komponentách, který splňuje všechny technické a legislativní požadavky pro aplikaci v lidském organizmu.

Výhodou kovů/slitin je vysoká mechanická pevnost, schopnost odolávat širokému spektru mechanického namáhání a dobrá zpracovatelnost do komplikovaných tvarů. Nevýhodami pak biomechanická nekompatibilita (vysoké moduly pružnosti–vysoká tuhost ve srovnání s kortikální kostí) a korozní interakce s tělním prostředím. Používat v případě kovových biomateriálů slovo koroze je definičně v pořádku, ve výsledku však poněkud zavádějící. Z technického hlediska dochází při rovnoměrné korozi k úbytkům hmotnosti/rozměrů materiálu v čase. Kovy/slitiny exponované v organizmu jsou vysoce odolné, výsledkem korozního děje v tomto prostředí je„pouze“ uvolňování iontových produktů, ty však mohou vyvolat u citlivých jedinců negativní odezvu (alergie). Dalším, v dané oblasti nepříliš frekventovaným, mechanizmem korozní interakce je nerovnoměrné - lokální napadení dané porušením tzv. pasivní vrstvy na povrchu materiálu.

Titan

V současnosti je základním materiálem pro náhrady velkých kloubů titan. Jedná se o neušlechtilý kov, teoreticky je jeho korozní chování srovnatelné např. se zinkem. Titan je tak reaktivní, že není běžným metalurgickým procesem, tj. redukcí oxidu uhlíkem, vyrobitelný. Přes teoretickou neušlechtilost se však vyznačuje skvělou korozní odolností i ve velmi agresivních prostředích, což je i kategorie tělních tekutin. Důvodem je pasivita – existence tenké (tloušťka v řádu 10^-9 m) oxidické vrstvy, označované jako pasivní, na jeho povrchu, která velmi rychle samovolně vzniká. Pasivní vrstva izoluje objem kovu/slitiny od okolního prostředí a, pokud nedojde k jejímu místnímu porušení nebo zborcení, poskytuje skvělou ochranu. Její hlavní komponentou je v daném případě oxid titaničitý. Pasivitou je dáno též korozní chování korozivzdorných ocelí, o jedné z nich píšeme v dalším textu. S titanem je spojena ještě jedna vlastnost a tou je osseointegrace.

Osseointagrace

V padesátých letech minulého století realizoval Per-Ingvar Brånemark (později autor dodnes užívaných dentálních implantátů Branemarkova typu) studii, v rámci které byly do kostí králíků voperovány optické prvky z titanu, tehdy extrémně drahého. Po skončení výzkumu bylo rozhodnuto titan vyjmout, což se nepodařilo, protože došlo k jeho srůstu kovu s kostí – osseointegraci. Následující detailní studie vedly ke zjištění, že povrch titanu je schopen bioaktivního chování, které umožňuje jeho přímou kolonizaci kostními buňkami a finální srůst s kostí. Tento jev vykazuje řada z titanu odvozených slitin, a proto se v současnosti využívá u dentálních implantátů nebo u tzv. necementovaných (kotvených bez použití kostního cementu – lepidla) náhrad velkých kloubů. 

Slitina Ti6Al4V

Kovy nejsou obecně používány v čisté formě, požadované vlastnosti se dosahují tvorbou multikomponentních slitin. V případě titanu se jedná hlavně o slitinu s 6 % hm. hliníku a 4 % hm. vanadu. Ta byla původně vyvinuta pro letectví a kosmonautiku a v biomateriálové oblasti zpočátku vyvolávala kontroverze, protože korozní produkty hliníku i vanadu mohou být potenciálně nebezpečné. Řada detailních studií však tyto obavy nepotvrdila. Typickou aplikační oblastí TiAlV jsou velké klouby – kyčle a kolena. U totální náhrady kyčelního kloubu je ze slitiny titanu vyroben femorální dřík a případně pouzdro pánevní/acetabulární jamky. U kolene se jedná o femorální i tibiální komponentu. V obou případech je segment zajišťující pohyb realizován několika dalšími materiály – ultravysokomolekulárním polyetylenem, zirkoničitou keramikou, slitinou kobalt-chrom-molybden atd.

Korozivzdorná ocel

Dalším materiálem schváleným pro implantační účely a desetiletí široce aplikovaným je austenitická korozivzdorná ocel se směrným složením 18 % hm. niklu, 8 % hm. chrómu a 3 % hm. molybdenu (zbytek železo), slovo austenitická charakterizuje strukturní stav. Pro masivní náhrady se jedná o plně vyhovující slitinu, má však zhruba 2x vyšší modul pružnosti a objemovou hmotnost než titan a může být náchylná k nerovnoměrným formám koroze.

Tvarová paměť

Materiálem s fascinujícími vlastnostmi je slitina s komerčním označením Nitinol. Jedná se o kombinaci titanu s niklem v atomárním poměru 1:1. Je-li tento systém vhodně mechanicko-tepelně zpracován, je schopen vykazovat tzv. tvarovou paměť. Představu si lze jednoduše vytvořit na základě stentu (cévní, jícnový, kardio), což je právě jedna z rozsáhlých aplikačních možností Nitinolu. Síťka tvaru válce a rozměru, ve kterém má působit v místě aplikace, se za normální či snížené teploty plasticky deformuje a fixuje v polymerním zavaděči s malým průměrem. To umožní dostat stent s minimální invazivitou do oblasti aplikace. Po uvolnění z aplikátoru a samovolném ohřátí na tělesnou teplotu stent obnoví svoji původní velikost a tvar, což je právě projev tvarové paměti, začne tlakově působit a zprůchodní aplikační oblast. U běžného materiálu by byla změna spojená s plastickou deformací nevratná, po uvolnění deformačního působení by se jeho rozměry zásadně nezměnily. Negativní vlastností Nitinolu (pozitivní však výrazně převažují) je ne zcela zanedbatelné uvolňování nikelnatých iontů, na které je lidská populace poměrně citlivá.

Stručný souhrn a současný stav v ČR

V článku se zmiňují pouze tři kovové systémy schválené pro trvalou aplikaci v organizmu. Medicína, zvláště v případě krátkodobého kontaktu, používala a používá velmi široké spektrum kovových materiálů, založených zhruba na 25 prvcích periodické soustavy - hořčíkem počínaje a rtutí konče.

Výroba kloubních implantátů má v republice bohatou historii. Zhruba od počátku osmdesátých let minulého století byly v ČSSR dostupné výrobky Poldi Chirurgie Kladno a Motorlet Praha. V současnosti dodává širokou škálu implantátů firma Beznoska Kladno (vazba na Poldi Chirurgie) a Medin Nové Město na Moravě (vazba na Motorlet). Dalšími podniky jsou Prospon Kladno (onkologické implantáty, fixátory), Ella-CS Hradec Králové (stenty), Lasak Praha (dentální implantáty) a další.

Více info

Komplexní informaci o biomateriálech lze získat v encyklopedické knize Biomaterials Science – An Introduction to Materials in Medicine (ed. Rattner B. D. Hoffman A. S., Schoen F. J., Lemons J. E.), nejnověji Third Edition 2013, Elsevier. V ČR je k dispozici v několika knihovnách.

Luděk Joska