Gliwiccy naukowcy pomagają lekarzom ukraińskim. Pierwsze operacje z bioaktywnymi powłokami na implantach zakończone sukcesem

Katarzyna Widera-Podsiadło: Pacjenci, a także żołnierze ukraińscy gliwickim naukowcom z Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej zawdzięczają życie w dosłownym tego słowa znaczeniu.
Prof. Wojciech Simka: Jeśli jest Pani odporna na pewne zdjęcia, pokażę i wytłumaczę.

Spróbujmy.
Tutaj mamy przykład pacjenta, który miał nowotwór żuchwy. Fragment chorej kości został usunięty i w to miejsce został wszczepiony specjalny, personalizowany implant tytanowy z powłoką bioaktywną, która powoduje, że łatwiej zrasta się on z kością. Kolejny przypadek to żołnierz, który kilka lat temu został postrzelony w twarz. Tutaj, jak widać, zmiażdżone są kości twarzoczaszki, wypłynęło oko. Zaraz po postrzale został on zawieziony do szpitala, natomiast po kilku latach na podstawie tomografii komputerowej został zamodelowany implant i następnie wydrukowany z tytanu w Zaporożu. Na ten implant została nałożona przez nas powłoka bioaktywna, i tak przygotowany został wszczepiony pacjentowi. W jednym przypadku przywrócono wygląd twarzy osoby poszkodowanej, a w drugim również funkcje żuchwy, które były praktycznie bardzo ograniczone.

Sięga Pan odległych wydarzeń.
2014 był rokiem, w którym Rosja zaatakowała Ukrainę, a konkretnie Donbas. Ukraińcy bronili swoich terenów, oczywiście wiadomo, że ponosili straty, wielu ludzi zostało rannych w działaniach bojowych. Tak się złożyło, że poprzez naszą współpracę od szeregu lat z kolegami z Ukrainy na polu chemii i elektrochemii, a przede wszystkim medycyny udało nam się opracować powłoki bioaktywne, które możemy stosować do obróbki implantów tytanowych.

Jaki to ma związek z działaniami wojennymi?
Taki, że część z tych osób była postrzelona w okolicach twarzoczaszki. Po zaopatrzeniu pacjentów, po pewnym czasie, kiedy już można było przeprowadzić zasadnicze procesy i operacje rekonstrukcji, koledzy na Ukrainie wydrukowali dedykowane implanty „szyte pod pacjenta”. Co ciekawe, wydrukowali je z tytanu, z proszku tytanowego, była to pierwsza tego typu próba na Ukrainie zakończona sukcesem. Chodzi o druk personalizowanych, dedykowanych implantów. Te implanty zostały przed około trzema laty przesłane do mojego zespołu, gdzie poddaliśmy je procesowi utleniania elektrochemicznego. W tym procesie w powłoki na implantach wbudowaliśmy pierwiastki bioaktywne, czyli wapń, fosfor, takie, które sprzyjają zrostowi implantu z tkanką kostną. Chodziło o to, żeby wytworzyć na implantach warstwę, która spowoduje, że implant bardzo łatwo, czy stosunkowo łatwo, przyjmie się w ciele człowieka. Tak obrobione, personalizowane implanty zostały odesłane na Ukrainę, po czym zostały wszczepione pacjentom. Z mojej wiedzy wynika, że u wszystkich pacjentów te implanty przyjęły się, zostały zachowane, a nawet pomogły w przywróceniu funkcji życiowych. Chodzi o sytuację, w której pacjent nie mógł np. otwierać ust i przyjmować pokarmów, a teraz może to robić.

Ta współpraca zaczęła się dzięki wcześniejszym Państwa pracom naukowo-badawczym.
Swego czasu podjąłem współpracę z pewną spółką w Dębicy, w której wdrażaliśmy obróbkę powierzchni implantów dentystycznych. Współwłaścicielami tej firmy były między innymi osoby z Ukrainy, w tym implantolog i zarazem chirurg twarzowo-szczękowy, który operuje w szpitalach w Kijowie i Zaporożu. Kiedy opracowaliśmy powłokę dedykowaną dla kości na implantach dentystycznych, oni zaproponowali, by stworzyć takie powłoki na implantach personalizowanych dla wspomnianych wcześniej poszkodowanych, m.in. żołnierzy ukraińskich.

Na czym polega proces wytwarzania takiej powłoki?
Jest to proces elektrochemiczny, w trakcie którego utleniamy tytan lub jego stopy, co powoduje wytworzenie warstw ceramicznych, które swoim składem chemicznym są zbliżone do kości człowieka. Implanty obrabiamy w odpowiednim roztworze, który zawiera składniki, które do tej warstwy chcemy wbudować, np. wapń, czy fosfor. Prawidłowo przeprowadzony proces powoduje, że powierzchnia implantów staje się porowata, a także zawiera bioaktywne składniki, które bardzo dobrze współdziałają z ludzkimi tkankami.

Czyli zaletą powłok przez Państwa stosowanych jest przede wszystkim to, że ryzyko ich odrzucenia przez organizm jest dużo mniejsze niż w przypadku standardowych implantów?
Opracowana przez nas powłoka bioaktywna jest dedykowana implantom, które mają zrosnąć się z kością. Tak jak zaznaczałem,  w naszym przypadku tak przygotowujemy powłoki, że zawierają one w swoim składzie takie same pierwiastki jak te,  które znajdują się w kości. Mamy więc podobieństwo chemiczne ze względu na zawartość wapnia i fosforu w powłokach, a więc podstawowych pierwiastków, które budują naszą kość. Dlatego organizm będzie na takie materiały dobrze reagował. Ponadto jesteśmy w stanie wytworzyć powłoki, które zapewniają bakteriostatyczność, czyli ochronę przed atakiem bakterii, przed korozją mikrobiologiczną, a przede wszystkim przed zakażeniami pooperacyjnymi.

Dlaczego organizm odrzuca implanty?
Z chemicznego punktu widzenia środowisko człowieka jest środowiskiem bardzo agresywnym, zawierającym chlorki, jest bardzo dobrze natlenione, więc zajście procesów korozyjnych elektrochemicznych, czasem mikrobiologicznych jest bardzo prawdopodobne. Innym powodem może być alergia na któryś ze składników implantu lub też bardzo rzadko wada produkcyjna. Zdarza się, że coś się stanie podczas produkcji i na powierzchnię dostaną się zanieczyszczenia, to rzadka sytuacja, ale może to wpłynąć na  proces integracji np. z kością. Pacjent może być uczulony na składniki implantu. Przykładowo wiele osób jest uczulonych na nikiel. Takiej osobie będziemy dedykować implant z tytanu. Pod warunkiem, że i na ten nie będzie uczulona.

Przywołana pomoc żołnierzom ukraińskim dotyczyła sytuacji wojennych z 2014 roku. Kiedy zaczniemy pomagać ofiarom obecnej wojny?
Zapotrzebowanie na implanty personalizowane będzie teraz ogromne. Takich przypadków jest mnóstwo. Szpitale w Ukrainie operują praktycznie non stop. I to często są bardzo ciężkie przypadki. Teraz jednak sytuacja wygląda tak, że lekarze ratują życie swoich pacjentów, zaopatrują, leczą, potem rehabilitują. Czas na rekonstrukcje przyjdzie później. Pewnie gdy skończy się wojna. Na ten moment jest jeszcze problem logistyczny. Takie operacje zwykle trwają bardzo długo, kilka godzin. Dziś często dochodzi do wyłączenia prądu w miastach. Teoretycznie funkcję tę powinny przejąć generatory. Nie zawsze w warunkach wojny jest to możliwe.

Czy jesteśmy w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na tego typu powłoki i implanty? Będzie to duża liczba.
Dziś trudno odpowiedzieć na to pytanie. Na Wydziale Inżynierii Biochemicznej mamy drukarki, które pozwalają na drukowanie takich implantów. Na Wydziale Chemicznym jesteśmy też w stanie wytworzyć owe powłoki. Ale wiemy, że w Ukrainie też są możliwości takiego druku implantów i przede wszystkim tam będą musiały one powstawać. Oczywiście odrębną sprawą będzie szukanie sponsorów, którzy pomogą w sfinansowaniu całego przedsięwzięcia, ponieważ materiały do druku są bardzo drogie.

Zwłaszcza, że zespół ludzi pracujących nad tymi powłokami jest bardzo duży.
Mam bardzo dużo szacunku dla lekarzy, którzy podejmują się takich działań, ale bez współpracy lekarza z inżynierem tego typu operacje praktycznie nie byłyby możliwe. Bo to, że lekarz wymyśli taki implant, to nie wszystko. Potrzebny jest ktoś, kto taki implant przygotuje, czyli inżynier materiałowy, dalej ktoś od obróbki powierzchni, w tym przypadku akurat byli to elektrochemicy.  

Czy prace nad powłokami na implanty już dobiegły końca?
Jak mówili moi mentorzy, każda praca naukowa powinna kończyć się wnioskiem, że badania należy kontynuować. I to oczywiście robimy. Mianowicie udało nam się wdrożyć w kilku firmach procesy anodowania. Były to procesy dedykowane dla tych firm, natomiast nie możemy stać w miejscu i te procesy cały czas rozwijamy, współpracujemy z firmami, wsłuchujemy się w ich potrzeby. Prowadzimy oczywiście projekty badawcze w tym zakresie. Pracownicy mojego zespołu zajmują się też wytwarzaniem powłok polimerowych, które uwalniają leki mające przeciwdziałać zakażeniom zaraz po operacji, czyli stosujemy szybko degradujące polimery, które szybko uwalniają leki. Wytwarzamy powłoki hybrydowe, które są bardzo korzystne, ponieważ są w stanie zrosnąć się z tkanką, ale jednocześnie przeciwdziałamy zakażeniom bakteryjnym. Każda operacja niesie ze sobą jakieś ryzyko, więc im mniej tych operacji, tym lepiej. Zresztą opracowujemy też powłoki na magnezowych implantach biodegradowalnych. Implanty takie po spełnieniu swojej funkcji leczniczej ulegają kontrolowanemu rozkładowi w organizmie. Zamiast śruby ze stali, która zespala złamaną kość, można stosować implant, który rozłoży się w organizmie po zrośnięciu kości. Można powiedzieć, że jest to kontrolowana korozja implantu, gdzie w jego miejsce powstaje nowa tkanka kostna. 

Nauka rzeczywiście sporo nam oferuje, prowadzicie Państwo badania na szeroką skalę i szukacie możliwości zastosowania owych powłok w różnych miejscach.
Przede wszystkim, jak wcześniej wspomniałem, są to powłoki o właściwościach bioaktywnych, więc stosowane mogą być wszędzie tam, gdzie implant styka się z kością. I takie powłoki opracowaliśmy dla np. implantów dentystycznych, stomatologicznych, czyli śrub tytanowych, które wkręca się w szczękę, żuchwę i na nich następnie osadza korony ceramiczne. Ponadto takie powłoki można stosować, i już stosuje się, w obróbce powierzchni implantów dedykowanych zwierzętom. To również implanty, które powinny zrosnąć się z kością, ale nie tylko. W przypadku zwierząt chodzi o uniknięcie sytuacji, które wymagają reoperacji, czyli np. usunięcia implantów. Wiadomo, dla zwierzaka kolejna operacja, to kolejny stres, bo zwierzęta nie wiedzą, po co - w ich rozumieniu - robi im się tak straszną krzywdę, gdzie tak naprawdę jest to proces leczenia i często ratowania im życia. Zastosowanie więc odpowiednich powłok będzie zwiększało żywotność implantu, będzie powodowało, że implant ten łatwiej zrośnie się z tkankami i nie będzie potrzeby usuwania go. Implant zostaje do końca życia ze zwierzakiem.

Taka powłoka wydaje się być nieodzowną w implantologii. Kiedy na masową skalę wszystkie implanty będą nią powleczone?
Może nie wszystkie, bo to zależy od tego, gdzie dany implant ma być stosowany. Nie ma uniwersalnej powłoki dla wszystkich implantów. To, czy wszystkie będą powleczone odpowiednimi powłokami, zależy od producentów implantów, dlatego, że od pomysłu do wdrożenia, w szczególności w przypadku rynku medycznego, jest bardzo długa droga. To znaczy, my wymyślając powłokę prowadzimy nad nią różnego rodzaju badania - materiałowe, chemiczne, biologiczne. Dopiero jak jesteśmy pewni, że ta nasza powłoka działa tak, jak chcieliśmy, możemy ją zaproponować wytwórcy implantów. I tutaj zaczyna się dużo dłuższa i bardziej pracochłonna i kosztochłonna ścieżka. Po pierwsze, takie powłoki trzeba zaimplementować na rzeczywistych implantach, następnie trzeba uzyskać odpowiedni certyfikat, bez którego na rynkach europejskich nie można sprzedawać implantów. Samo staranie się o certyfikat wymusza szereg dodatkowych badań, a to są ogromne koszty. Trudno powiedzieć, czy ktoś będzie chciał je obecnie ponieść bez wsparcia zewnętrznego, np. w postaci projektów badawczych.