Współpraca zespołów badawczych z Tufts University School of Engineering oraz Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) w Stanach Zjednoczonych przyniosła owoc w postaci śrub i płytek chirurgicznych z naturalnego jedwabiu. Innowacyjne wszczepy wpływają nie tylko na poprawę szybkości procesu przebudowy kości po urazie, ale także mogą być potem wchłonięte przez organizm, co eliminuje konieczność chirurgicznego usuwania implantu.
Złamane kości wymagają leczenia za pomocą śrub i płytek stabilizujących, które pomagają w zrastaniu zerwanych odcinków. Obecnie najczęściej stosowane wszczepy wykonane ze stopów metali. Udoskonalony skład chemiczny i struktura znajdują swoje potwierdzenie w wysokiej wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, odporności na korozję zmęczeniową oraz na kruche pękanie. Do ich produkcji wykorzystuje się m. in. stale austenityczne (np. chromowo-niklowo-molibdenową), stopy na osnowie kobaltu, stopy na osnowie tytanu (Ni-Ti – nitinol), czy metale szlachetne. Niestety, biomateriały metaliczne nie są pozbawione wad. Elementy wykonane ze stopów metali mają większą sztywność od kości, co może wpływać na powstawanie groźnych naprężeń w układzie kostnym. Ponadto, istnieje zwiększone ryzyko infekcji, a przez to słabego gojenia się ran. W niektórych przypadkach, po spełnieniu swojego zadania wymagane jest usunięcie metalowego implantu, co narzuca konieczność kolejnej interwencji chirurgicznej. Innym, coraz bardziej popularnym rozwiązaniem są biowchłanialne śruby mocujące wykonane z polimerów syntetycznych (np. polietylenu). Umożliwiają one uniknięcie niektórych z wcześniej wymienionych komplikacji, ale ich implantacja i późniejsza resorpcja może stanowić zagrożenie w postaci reakcji zapalnych.
Stale rosnące zapotrzebowanie na biomateriały, stawia wysokie wymagania współczesnej inżynierii materiałowej i medycynie. Wytworzenie wytrzymałych, biozgodnych implantów jest kosztowne i skomplikowane. Zastosowanie najnowszych materiałów i technologii umożliwia uzyskanie odpowiednika o właściwościach i funkcjach zbliżonych do naturalnych tkanek w występujących w organizmie człowieka. Tym razem, naukowcy z USA przygotowali i scharakteryzowali nową rodzinę biowchłanialnych śrub wyprodukowanych z fibroiny znajdującej się w jedwabiu. Szczegółowe wyniki badań dotyczące wszczepów, ze szczególnym zastosowaniem w złamaniach kości twarzoczaszki zostały opublikowane 4 marca 2014 w czasopiśmie Nature Communications.
Jedwab to włókno naturalnego pochodzenia, którego głównymi składnikami są dwa białka: fibroina i serycyna. Serycyna tworzy zewnętrzną powłokę ochronną, natomiast fibroina jest głównym białkiem strukturalnym. W medycynie od pewnego czasu stosowane są biodegradowalne, biokompatybilne i elastyczne nici z fibroiny. Włókna z jedwabiu wyróżnia wysoka wytrzymałość właściwa (stosunek wytrzymałości na rozciąganie do ciężaru właściwego materiału). Utrzymują one także stabilność strukturalną w bardzo wysokich temperaturach, są odporne na inne ekstremalne warunki oraz mogą być łatwo sterylizowane. Dodatkowo, jedną z zalet jedwabiu jest to, że można do niego dołączać bioaktywne składniki (np. antybiotyki, substancje odpowiedzialne za wzrost tkanki) po to, by płytki i śruby z niego wykonane zapobiegały infekcji i przyśpieszały gojenie. Więcej informacji na temat właściwości tego materiału podawaliśmy przy okazji artykułu na temat pozyskiwania kolorowego jedwabiu.
Badacze, którzy już wcześniej pracowali nad jedwabnymi gąbkami, włóknami i piankami do stosowania w warunkach klinicznych zajęli się fabrykacją sztywnych implantów do stabilizacji złamań. Inżynierowie wykorzystali białko jedwabiu naturalnego pozyskanego z kokonów jedwabników morwowych (z łac. Bombyx mori). Uformowane, fibroinowe wszczepy w postaci 28 samogwintujących śrub zostały zamontowane w kościach udowych sześciu szczurów laboratoryjnych. Zdaniem naukowców, sama operacja była niezwykle prosta. Następnie, po czterech i ośmiu tygodniach po implantacji przeprowadzono ocenę biozgodności i przebudowy kości. Testy wykazały, że wszystkie śruby wkręcono prawidłowo, a organizmy nie przejawiały objawów reakcji zapalnych.
Zespół zwraca uwagę na powolne pęcznienie jedwabiu oraz utrzymanie integralności mechanicznej implantów, nawet podczas kontaktu z płynami otaczającymi tkanki podczas i po zabiegu. Testy wskazują na to, że stosowanie płytek i śrub z jedwabiu może oszczędzić potencjalnym pacjentom komplikacji, pojawiających się podczas wszczepiania elementów ze stopów metali lub polimerów syntetycznych. Elementy z naturalnego białka są również niewidoczne na zdjęciach rentgenowskich, co ułatwia ocenę przebiegu leczenia złamania. Obecnie, badacze planują dalsze doświadczenia z większymi modelami zwierzęcymi, a potem sprawdzenie ich działania u ludzi.
Źródło:
[1] Gabriel S. Perrone, Gary G. Leisk, Tim J. Lo, Jodie E. Moreau, Dylan S. Haas, Bernke J. Papenburg, Ethan B. Golden, Benjamin P. Partlow, Sharon E. Fox, Ahmed M. S. Ibrahim, Samuel J. Lin, David L. Kaplan. The use of silk-based devices for fracture fixation. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4385
[2] http://www.nature.com/ncomms/2014/140304/ncomms4385/full/ncomms4385.html [10.03.2014]
[3] http://bidmc.org/News/In-Research/2014/March/Lin.aspx [10.03.2014]
[4] http://www.qmed.com/mpmn/medtechpulse/how-silk-could-drive-ortho-innovation [10.03.2014]
[5] Plaatje met schroeven by E. Dronkert (ednl), flickr.com, CC BY 2.0