Umělé klouby po ozáření vydrží déle aneb nové způsoby modifikace polymeru UHMWPE

Když něčemu přijdeme na kloub, znamená to, že jsme buď rozluštili záhadu, nebo jsme alespoň pokročili v jejím odkrývání. Kloub je důležité místo obratu, pohybu, posunu. Klouby dokáží pořádně trápit, zhusta i otravovat život až k nesnesení; jejich vrzání, loupání, bodání nebo nepohyblivost jsou příčinou značných ekonomických ztrát, ale i výnosného byznysu. Přijít na kloub tomu, jak pomoci kloubům, se daří Miroslavu Šloufovi z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR.

Ve vašem ústavu, zkráceně zvaném „Makro“, kloubíte základní výzkum s potřebami praxe. Konkrétně hledáte, jak prodloužit životnost umělých kloubních náhrad, jimiž se ročně jen v České republice nahrazují bolavé klouby desítkám tisíc pacientů. To představuje ohromnou cifru, zejména pokud bychom tento počet převedli do statistických kolonek zdravotních pojišťoven. Každý vynález má své slabiny, umělé náhrady nevyjímaje. Co je jejich bolestí?

Za několik desetiletí výroby kloubních náhrad jsme v jejich konstrukci obrovsky postoupili. Umělé klouby dnes vydrží deset i více let, ale přesto se opotřebovávají. Se zkvalitňováním zdravotní péče se také jejich nositelé dožívají vyššího věku. A tady nastává problém: každá další výměna kloubní náhrady bývá složitější než ta předchozí. Je nutné vyjmout dosluhující endoprotézu, což při první implantaci třeba není. Poškozené konce kostí, na něž se nasazuje nová náhrada, se musí upravit, což je ve srovnání s první operací odborně, časově i finančně náročnější. Každá výměna kloubu vyžaduje určitý čas na rehabilitaci. To je pro pacienta spojeno s bolestí a pro zaměstnavatele a zdravotní pojišťovny s další finanční zátěží. Proto se snažíme životnost kloubních náhrad maximálně prodloužit.

Všudypřítomné reklamy nás dnes přímo zavalují nejrůznějšími preparáty proti bolesti kloubů, na posílení chrupavek. Je právě ona měkká část nejvíc ohrožena také v kloubních náhradách, které jsou u některých kloubů asi i poměrně velké?

Nejčastěji se vyměňují kyčelní klouby a nejpoužívanější typ endoprotézy sestává z kovové nebo keramické hlavice, která zapadá do polymerní jamky. Zmíněná jamka se vyrábí ze speciálního polymeru – ultravysokomolekulárního polyethylenu (UHMWPE) – který má tak dlouhé molekuly, že by při pomyslném rozšíření molekuly na tloušťku špagety přesáhla její délka jeden kilometr! Nicméně UHMWPE představuje skutečně nejzatěžovanější a tudíž nejopotřebovávanější část kloubní náhrady. Kdybychom snížili opotřebení polymeru UHMWPE, podstatně bychom zvýšili životnost celých kloubních náhrad.

K poškození polymeru dochází především dvěma mechanismy: otěrem a oxidací. Otěr znamená, že se při pohybu kovové či keramické komponenty po jamce z UHMWPE uvolňují z povrchu polymeru mikroskopické otěrové částice; ty se hromadí v okolí umělého kloubu. Po jisté době zpravidla vyvolají otěrové částice v těle imunitní reakci, jež vede k poškození okolních tkání. Nakonec jsou v okolí náhrady natolik poničeny i kosti, že se umělá náhrada uvolní či vyviklá. Druhým škodlivým procesem je oxidace neboli pozvolná reakce polymeru s kyslíkem, který je přítomen v okolí nejen při výrobě a skladování kloubních náhrad, ale i v lidském těle. Kyslík působí na UHMWPE a štěpí jeho extrémně dlouhé molekuly natolik, že se polymer začne svou strukturou a vlastnostmi podobat běžnému polyethylenu, z něhož se vyrábí například kuchyňské potřeby či sáčky. Takto degradovaný materiál pro vysoce zatěžovanou kloubní náhradu pochopitelně nestačí a její opotřebení se výrazně urychlí.

Předmětem našeho výzkumu je tudíž modifikace struktury UHMWPE tak, aby se zvýšila jeho odolnost vůči otěru a oxidativní degradaci. K tomu ale nejde využít žádné chemikálie, protože by se porušila medicinální čistota polymeru. Odolnost tedy zvyšujeme fyzikálně‑chemickým procesem: interakcí s ionizujícím zářením neboli ozařováním. V praxi se nejvíce využívá ozařování pomocí gama paprsků nebo pomocí urychlených elektronů. Oba typy záření interagují s polymerem tak, že štěpí některé jeho vazby. Rozštěpené vazby se za vhodně nastavených podmínek – typ záření, radiační dávka, dávková rychlost, okolní atmosféra a teplota při ozařování aj. – pospojují zpátky tak, že se navzájem propojí původně oddělené molekuly. Tento proces nazýváme síťování. Za určitých podmínek se pospojují prakticky všechny molekuly dohromady do trojrozměrné sítě, takže celý materiál je vlastně tvořen jednou obří makromolekulou. Taková změna struktury výrazně změní vlastnosti materiálu, jako je tuhost, pevnost, houževnatost, tažnost aj. Některé vlastnosti se zlepší, jiné třeba i poněkud zhorší. Z hlediska kloubních náhrad je však podstatné, že se zvýší odolnost vůči otěru. Tím ale celý proces nekončí. V polymeru zůstanou po ozařování nepárové elektrony z rozštěpených vazeb ve formě tzv. zbytkových radikálů. Tyto radikály velmi snadno reagují s kyslíkem, což je podstatou oxidativní degradace. Proto musíme zbytkové radikály odstranit vhodnou úpravou, nejčastěji ohřevem v inertní atmosféře, opět za přesně definovaných podmínek. Posledním krokem úprav je sterilizace, protože jde o materiál pro lékařství. Také sterilizačních postupů je několik a musíme zvolit ten správný. Vhodná kombinace ozařování, tepelných úprav a sterilizačních postupů je klíčem k přípravě modifikovaného UHMWPE, který zajistí vyšší životnost kloubních náhrad.

Je nasnadě, že to vše by nedávalo smysl bez komunikace s českými lékaři, bez transferu nových poznatků a znalostí do nemocnic. V úvodu již zaznělo, že spolupracujete i s výrobci kloubních náhrad. Jsou tedy výsledky výzkumu přínosné pro české pacienty i zdravotní pojišťovny?

Tématika kloubních náhrad je velmi komplexní a prakticky využitelných výsledků by se bez mezioborové spolupráce nedalo dosáhnout. V našich výzkumných projektech se naštěstí sešli odborníci na makromolekulární chemii a fyziku, kteří se zabývají modifikací klíčového polymeru UHMWPE (výzkumníci přímo z našeho Ústavu makromolekulární chemie AV ČR), dále konstruktéři kloubních náhrad, kteří kloubní náhrady vyrábějí (výzkumníci z firmy Beznoska Kladno, s. r. o.) a lékaři zabývající biologickými a ortopedickými aspekty otěru UHMWPE (výzkumníci a lékaři z Fakultní nemocnice Motol a Univerzity Karlovy v Praze). Tím je zaručen kontakt mezi vývojem materiálů v laboratoři, jejich výrobou v provozních podmínkách i jejich aplikací v lékařské praxi.

V roce 2005 jsme podali patent na nový způsob modifikace UHMWPE, kterým vzniká polymer s vyšší odolností vůči otěru a oxidativní degradaci. Začátkem roku 2007 byl patent udělen a od konce roku 2007 se námi vyvinutý typ UHMWPE využívá při výrobě kyčelních kloubních náhrad ve firmě Beznoska. Paralelně jsme ve spolupráci s kolegy z Univerzity Karlovy zkoumali vliv modifikací UHMWPE na strukturu, vlastnosti a otěr UHMWPE; přitom jsme prokázali výhodu nového způsobu sterilizace pomocí ethylenoxidu, který byl následně zaveden i do výroby dalších typů kloubních náhrad. Všechna měření prokázala, že se náš materiál vyznačuje výrazně vyšší odolností vůči otěru a dlouhodobé oxidativní degradaci, takže by měl v kloubních náhradách vykazovat podstatně nižší opotřebení a vyšší životnost.

V České republice se ročně implantuje přes 25 tisíc endoprotéz, z čehož připadá téměř 14 tisíc na náhrady kyčelní, necelých 11 tisíc na náhrady kolenní a zbytek na ostatní velké klouby – loket, rameno ap. Implantace a výměny kloubních náhrad jsou vysoce odborně a finančně náročné operace. Máme výhodu, že se výzkum i výroba odehrává u nás, takže jsou české výrobky v průměru levnější a kvalitou se těm dovozovým naprosto vyrovnají.

Na závěr snad jen poznámku, že navázaná spolupráce mezi naším Ústavem makromolekulární chemie, Univerzitou Karlovou, Fakultní nemocnicí Motol a firmou Beznoska trvá. Podařilo se nám získat grant, který běží do roku 2014. Cílem je zavést do výroby v ČR ještě trvanlivější endoprotézy tak, že zkombinujeme stávající postup se stabilizací polymeru pomocí přírodního – a tudíž biokompatibilního – vitaminu E.

Za rozhovor děkuje hodně úspěchů vědcům, lékařům i jejich pacientům přeje: