Bakteriobójcze granule

Ubytek kostny może powstać w wyniku wypadku albo interwencji chirurgicznej, koniecznej ze względu na przykład na chorobę nowotworową. Niezależnie od przyczyny powstania ubytku pojawia się ten sam problem – ograniczona zostaje sprawność i normalne funkcjonowanie pacjenta. Niestety, ubytek nie zawsze jest w stanie zregenerować się samoczynnie. Zespół Bioceramiczny AGH na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki od lat prowadzi badania naukowe nad innowacyjnymi materiałami stosowanymi do wypełniania ubytków kostnych. Niektóre z opracowanych biomateriałów obecnie są z powodzeniem stosowane w medycynie. Na przykład FlexiOss®, czyli biomateriał kościozastępczy, opracowany we współpracy z Uniwersytetem Medycznym w Lublinie i nazywany potocznie „sztuczną kością”, w znaczącej części opiera się na mikroporowatych granulach hydroksyapatytowych, opatentowanych przez Zespół Bioceramiczny AGH. W skład Zespołu, obecnie kierowanego przez dr hab. inż. Anetę Zimę, prof. AGH, wchodzą: prof. dr hab. inż. Anna Ślósarczyk, mgr inż. Zofia Paszkiewicz, dr inż. Joanna Czechowska, mgr inż. Szymon Skibiński, mgr inż. Piotr Pańtak oraz mgr inż. Kinga Kowalska.

Prace nad materiałami kościozastępczymi skupiają się obecnie na połączeniu zalet związków syntetycznych oraz naturalnych, tworzących materiały hybrydowe. Bazę tych biomateriałów często stanowią fosforany (V) wapnia oraz materiały polimerowe. Tego typu materiały, odpowiednio zastosowane, mogą wspierać, a niejednokrotnie również indukować regenerację tkanki kostnej. Ich ostateczne właściwości zależą od właściwości tworzących je komponentów oraz ich wzajemnych interakcji. Jednym ze stosowanych w medycynie fosforanów (V) wapnia jest hydroksyapatyt, który wykazuje duże podobieństwo składu chemicznego i struktury mineralogicznej do nieorganicznej składowej tkanki kostnej.

Dr inż. Joanna Czechowska z Zespołu Bioceramicznego AGH niedawno otrzymała grant, który ma pozwolić jej na opracowanie materiału hybrydowego w formie granul o właściwościach bakteriobójczych. Jej projekt Nowe samoorganizujące się biomateriały na bazie metylocelulozy i hydroksyapatytu, modyfikowane miedzią otrzymał finansowanie z Narodowego Centrum Nauki w konkursie Miniatura 7 (nr 2023/07/X/ST11/00705).

Jedną z inspiracji do powstania projektu były prace badawcze Zespołu Bioceramicznego dotyczące wykorzystania granul hydroksyapatytowo-polimerowych jako komponentów materiałów kościozastępczych. Otrzymywanie biomateriałów w postaci granul jest trudne i czasochłonne. Wykazano jednak, że jeśli do ich wytworzenia wykorzystana zostanie metyloceluloza, to materiał będzie samoczynnie formował się w granule.

Granule, o których mowa, mogą być na tyle duże, że widać je gołym okiem. Ich rozmiary sięgają od 100 mikrometrów (0.1 milimetra) do nawet 1000 mikrometrów (1 milimetra). Naukowcy najczęściej wykorzystują granule z zakresu 300–400 mikrometrów, ale niewykluczone jest stosowanie innych rozmiarów. Po umieszczeniu granul w ubytku kostnym, będą one mogły stanowić rusztowanie dla odbudowującej się tkanki.

Opracowywane hybrydowe granule mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie jako nośniki leków i substancji biologicznie czynnych w terapiach celowanych. Leki i substancje biologicznie czynne umieszczone w hybrydowych granulach mogłyby uwalniać się dopiero w miejscu implantacji – a to pozwoliłoby uniknąć ich ogólnoustrojowego działania, które często prowadzi do wystąpienia skutków ubocznych.

Innym sposobem wykorzystania granul jest ich zastosowanie jako komponentów materiałów kościozastępczych. Ze względu na to, że ubytki kostne, szczególnie te powstałe w wyniku wypadków, prawie zawsze mają nieregularny kształt, do ich uzupełniania przydatne są materiały, które można łatwo formować i dostosować do kształtu ubytku oraz szczelnie wypełnić nimi przestrzeń. Do grona materiałów poręcznych chirurgicznie należą cementy kostne, które po połączeniu fazy ciekłej i stałej przybierają konsystencję łatwo formowalnej pasty. Zespół Bioceramiczny AGH od wielu lat pracuje nad materiałami wiązanymi chemicznie opartymi o fosforany (V) wapnia. Dzięki wprowadzeniu do cementów kostnych kruszyw w postaci hybrydowych granul można uzyskać materiały kościozastępcze, tzw. biomikrobetony, o nowych interesujących właściwościach.

Dr inż. Joanna Czechowska planuje opracować sposób otrzymywania nowych hybrydowych granul na bazie hydroksyapatytu i metylocelulozy, które miałyby właściwości bakteriobójcze. W tym celu naukowczyni zamierza również wykorzystać polimer o działaniu antybakteryjnym i miedź (która także posiada właściwości antybakteryjne). Niewykluczone, że dojdzie do efektu synergii i dzięki temu opracowane hybrydowe biomateriały będą bardzo skuteczne w zwalczaniu bakterii. Celem projektu będzie wstępna ocena fizykochemiczna i biologiczna materiałów hybrydowych.