23.12.2021

Badaczka sprawdza, czy aminokwasy mogą hamować korozję implantów medycznych


Zdjęcie przedstawia białą kobietę o niebieskich oczach i blond włosach. Kobieta widoczna jest mniej więcej od pasa w górę. Jest ubrana w biały fartuch, który jest zarzucony na czarną bluzkę. Czarne rękawy bluzki, na których widoczne są małe białe kropki, wystają spod rękawów fartucha. Kobieta opiera się prawą ręką o biały blat.

Dr Dominika Święch, fot. archiwum prywatne

Praca na uczelni daje duże możliwości rozwoju – mówi dr Dominika Święch z Wydziału Odlewnictwa AGH. W swojej pracy wykorzystuje m.in. innowacyjne metody spektroskopowe w badaniach nad modyfikowanymi powierzchniami metalicznymi, które wykorzystuje się do produkcji implantów medycznych. Testuje m.in., czy zdeponowane na powierzchniach aminokwasy mogą zwiększać ich odporność na proces korozji.

Dr Dominika Święch pracuje w Katedrze Chemii i Korozji Metali na Wydziale Odlewnictwa AGH. W ramach konsorcjum, w skład którego oprócz jej macierzystej jednostki wchodzą Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH oraz Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk – Zakład Fizyki Doświadczalnej Układów Złożonych, realizuje projekt „Badania spektroskopowe w mikro- i nanoskali procesu korozji i jej inhibicji modyfikowanych powierzchni metalicznych wykorzystywanych w implantologii”. Projekt otrzymał dofinansowanie w wysokości 777 600 zł od Narodowego Centrum Nauki w ramach programu SONATA 15 (numer projektu 2019/35/D/ST4/02703).

Procesy korozyjne implantów

– Do produkcji implantów stosuje się różne materiały, które w określonych ramach czasowych powinny spełniać wyznaczone funkcje: posiadać określone właściwości mechaniczne (wytrzymałość, odporność na ścieranie itd.), być biozgodne z organizmem człowieka oraz odporne na korozję. Najczęściej stosowane są metale oraz ich stopy, z tego względu w swoich badaniach skupiłam się na takich powierzchniach metalicznych jak m.in. stal nierdzewna i tytan. Niestety w wyniku kontaktu metalowych implantów z płynami ustrojowymi na powierzchni metalicznej zachodzą różne reakcje chemiczne, które prowadzą do ich niszczenia. W wyniku tego procesu do organizmu uwalniane są związki toksyczne, co może stać się przyczyną rozwoju różnego rodzaju infekcji czy nawet nowotworów. Wymiana zniszczonych implantów jest z kolei kosztowna i wymaga złożonych i obciążających pacjenta zabiegów – mówi dr Dominika Święch.

Prace, które koordynuje badaczka z AGH, mają na celu lepsze zrozumienie procesów korozyjnych oraz znalezienie skutecznych metod ich hamowania. Jednym ze skutecznych sposobów jest modyfikacja powierzchni materiału wykorzystywanego w implantologii poprzez zastosowanie inhibitorów. Badane materiały są modyfikowane m.in. za pomocą nanocząsteczek złota oraz miedzi, które posiadają potencjalne właściwości antykorozyjne i antybakteryjne. Co więcej, wzmacniają sygnał spektroskopowy podczas badania procesów zachodzących na interesujących uczonych powierzchniach. Ich nanoszenie odbywa się pod nadzorem dr inż. Kamili Kollbek w ACMiN, które w ramach konsorcjum projektowego udostępnia niezbędną do tego celu aparaturę.

Czy tryptofan hamuje proces korozji?

Szczególna uwaga naukowców skupia się na aminokwasach. Jak wiadomo, budują one w przyrodzie białka i peptydy oraz pełnią szereg innych funkcji biologicznych. Co jednak istotne z punktu widzenia implantologii, są nietoksyczne, stosunkowo tanie i adsorbując się w określonych warunkach na powierzchni metalicznej – jak wykazały wcześniejsze badania – mogą pełnić rolę inhibitora korozji.

Aminokwasem, który badacze wzięli dotąd na warsztat, jest m.in. tryptofan (Trp). Nie jest on naturalnie wytwarzany w ciele człowieka, w związku z czym musi być dostarczany w diecie. Pełni on bowiem w organizmie bardzo istotne funkcje: jest prekursorem różnych metabolitów, m.in. serotoniny (zwanej potocznie hormonem szczęścia) oraz melatoniny (hormonu odpowiedzialnego za regulację snu), wpływa na zdrowie układu kostno-szkieletowego, a jego reszty wchodzą w skład peptydów odgrywających istotną rolę w systemie immunologicznym. Żeby się przekonać, czy Trp może być też inhibitorem korozji, pod kierunkiem dr. inż. Gaetana Palumbo przeprowadzono badania elektrochemiczne stali nierdzewnej. Zasymulowano w tym celu agresywne środowisko, które w organizmie człowieka wpływa na proces korozji implantów (obecność m.in. jonów chlorkowych i fosforanowych). Normalnie w zależności od różnych czynników może on trwać latami, natomiast w laboratorium można go w znaczący sposób przyspieszyć.

– Część wyników badań dotyczących wpływu Trp na proces korozji stali nierdzewnej została opublikowana w czasopiśmie „Coatings”. W pracy tej przedstawiono wyniki elektrochemiczne oraz spektroskopowe świadczące o tym, że Trp w kontrolowanych warunkach adsorbuje się na skorodowanej powierzchni stali nierdzewnej, co skutkuje poprawą odporności korozyjnej – komentuje dr Święch.

Innowacyjne techniki badawcze w badaniach korozyjnych

– W badaniach dotyczących procesu inhibicji wykorzystywane są techniki powierzchniowo-wzmocnionej absorpcji w podczerwieni (SEIRA) i powierzchniowo-wzmocnionego efektu Ramana (SERS), które są bardzo dobrym narzędziem do monitorowania procesu w mikroskali oraz techniki łączące zalety mikroskopii sił atomowych i metod spektroskopowych (np. AFM-IR), co umożliwia obrazowanie procesu w nanoskali. Wykorzystanie w badaniach głównie metod spektroskopii oscylacyjnej ze szczególnym uwzględnieniem technik obrazowania nanospektroskopowego jest nowatorskim podejściem w badaniach procesu korozji oraz jej inhibicji. Badania z wykorzystaniem wspomnianych technik posiadają wiele zalet, mianowicie pomiar jest szybki, próbka nie ulega zniszczeniu i nie wymaga specjalnego przygotowania – wyjaśnia badaczka.

Dr Święch dodaje, że wykorzystanie metod spektroskopowych umożliwia identyfikację produktów korozji oraz przeprowadzanie badań in-situ oraz ex-situ procesu inhibicji korozji w mikro- oraz nanoskali (np. określenie zmian strukturalnych zachodzących pod wpływem oddziaływania potencjalnych inhibitorów z badaną powierzchnią metaliczną z równoczesną kontrolą morfologii powierzchni). – Badania w tym zakresie mogą zapewnić lepsze zrozumienie procesów korozyjnych oraz przyczynić się do poprawy odporności korozyjnej materiałów wykorzystywanych w implantologii – tłumaczy dr Święch. Podkreśla, że nie byłoby to możliwe bez współpracy w ramach konsorcjum z IFJ PAN, który dysponuje zapleczem aparaturowym umożliwiającym tak szeroki zakres prac. – Szczególne podziękowania należą się dr hab. Czesławie Paluszkiewicz, prof. IFJ PAN, dr Natalii Piergies oraz dr Ewie Pięcie.

Nauka, która uczy pokory

Dr Dominika Święch pracą badawczą interesowała się już w liceum, gdzie m.in. startowała w olimpiadach biologicznych. Choć dalszą naukę kontynuowała na Wydziale Chemii UJ, nigdy nie porzuciła swojego zainteresowania biologią. Wyrazem tego był jej doktorat poświęcony badaniom spektroskopowym nad bradykininą i jej analogami o antagonistycznym działaniu w stosunku do receptorów B2 (promotorem pracy była prof. dr hab. Edyta Proniewicz). Również obecnie podkreśla, że postęp w nauce jest napędzany przez interdyscyplinarne projekty. – Jeżeli jako naukowcy chcemy być konkurencyjni w skali międzynarodowej, powinniśmy ze sobą współpracować i wzajemnie dzielić się swoją specjalistyczną wiedzą – mówi.

Badaczka z AGH zaznacza również, że jej profesja wymaga pokory i wytrwałości w dążeniu do zaplanowanych celów: – Często więcej jest porażek niż sukcesów. Fundusze na realizację projektu udało mi się zdobyć dopiero za czwartym razem. Jednak od momentu, kiedy pierwszy raz go składałam, bardzo ewoluował, a ja dzięki temu rozwinęłam się i dojrzałam naukowo.

Nauka to dla dr Święch nadal nie tylko praca, ale pasja. Godzi ją z obowiązkami, które wynikają z faktu bycia mamą dwójki małych dzieci.

– Zawsze lubiłam wyzwania, byłam dociekliwa. Świadomość tego, ile jeszcze nie wiem, uczy pokory i sprawia, że moja praca jest pasjonująca. Lubię jej różnorodność: godziny spędzone w laboratorium, ale też obróbkę i analizę danych oraz poszukiwanie niezbędnej literatury. Bardzo ważną częścią mojej pracy na uczelni jest również prowadzenie zajęć dydaktycznych ze studentami, dzięki którym wciąż się rozwijam. Moja praca sprawia mi ogromną przyjemność i satysfakcję, choć nie zawsze jest lekko.