Większości z nas ceramika kojarzy się z ozdobnymi filiżankami. W świecie nauki jest ona czymś więcej, niż tylko eleganckim sposobem podania herbaty. To z materiałów ceramicznych wykonane było poszycie promów kosmicznych. Miały pochłaniać i błyskawicznie odprowadzać ekstremalne ilości ciepła wydzielanego podczas wchodzenia pojazdów w atmosferę ziemską. Ceramika ma także bardziej przyziemne, co nie znaczy, że mniej istotne zastosowania. Nowoczesne bioceramiczne preparaty implantacyjne mogą bowiem być wykorzystywane w medycynie jako materiały służące do wypełniania ubytków kostnych.

Opracowywaniem takich właśnie biomateriałów ceramicznych zajmuje się zespół badawczy pod kierownictwem prof. Anny Ślósarczyk z Akademii Górniczo-Hutniczej. Naukowcom, na których czele stoi pani profesor, udało się w ciągu ostatnich trzech lat opracować, wytworzyć i przebadać 28 preparatów kościozastępczych w postaci cementów kostnych o korzystnych właściwościach fizykochemicznych i biologicznych. – Podstawowym wyzwaniem jest znalezienie materiału ceramicznego o takiej wytrzymałości mechanicznej, jaką mają kości – mówi prof. A. Ślósarczyk.

Zespołowi z AGH trzy z opracowanych preparatów wydają się najbardziej obiecujące. Ich cechą wspólną jest obecność hydroksyapatytu, związku, który występuje także w kościach. Wykorzystanie związków chemicznych, które już są obecne w naszym ciele, prowadzi do tego, że naturalna kość łączy się z materiałem ceramicznym bez efektów toksycznych czy drażniących – jest to cecha zwana biozgodnością. Tę cechę wykazywała już jednak ceramika medyczna poprzedniej generacji oparta na bioceramice spiekanej. Wtedy implanty kostne o odpowiednim kształcie były tworzone z materiałów ceramicznych, a następnie utrwalane termicznie. Dziś uczeni wymagają od opracowywanych przez siebie preparatów jeszcze lepszych właściwości, a jednocześnie przy projektowaniu muszą brać pod uwagę nawet najbardziej prozaiczne kwestie.

Jak prozaiczne są owe kwestie, niech świadczy to, że oprócz wspomnianej już wytrzymałości mechanicznej naukowcy muszą pilnować chociażby takiej wartości jak czas wiązania. Każdy z omawianych materiałów składa się z proszku i płynu. W trakcie operacji chirurg miesza obydwa, aby uzyskać preparat w postaci pasty, którą można łatwo umieścić w ubytku kostnym. – Jeśli cement kostny zwiąże zbyt szybko, chirurg nie zdąży go usytuować na miejscu. Jeśli będzie wiązał zbyt długo, nie połączy się we właściwy sposób z kością – zwraca uwagę prof. Ślósarczyk. Czas wiązania musi więc wynosić od kilku do kilkunastu minut. Naukowcy tłumaczą, że w trakcie wiązania i twardnienia preparat implantacyjny nie może wydzielać dużych ilości ciepła – a jest i taka możliwość – bo uszkodzi okoliczne tkanki. Po związaniu nie może się też kurczyć – bo nie spełni swojej funkcji i trzeba go będzie wymieniać – ani tym bardziej rozszerzać – bo uciskając kość, będzie powodował stan zapalny. Do tego dochodzą wymogi związane z odpowiednimi własnościami mechanicznymi, ponieważ kość wewnątrz ciała cały czas pracuje. Pożądane jest także, żeby implanty kostne miały właściwości przeciwbakteryjne i przeciwgrzybicze.

Poszukiwanie pożądanych cech przypomina sposób, w jaki ponad sto lat temu Thomas Edison poszukiwał najtrwalszego materiału, z którego mógłby zrobić świecący drucik w żarówce. Zanim trafił na właściwy żarnik, działał metodą prób i błędów, przepuszczał prąd przez wiele różnych materiałów. Podobnie jest i tutaj: wiadomo, jaka jest podstawa. Cała reszta to intuicja podparta wiedzą o właściwościach pierwiastków i związków chemicznych. – To prawda, potrzebne do tego jest zacięcie badacza – śmieje się mgr inż. Joanna Czechowska. Ale też im większa wiedza na temat właściwości poszczególnych materiałów, tym większe prawdopodobieństwo, że odpowiednio dobrany skład wyjściowy cementu kostnego w efekcie zapewni pożądane właściwości.

Inżynierowie opracowujący takie kompozyty chcieliby, by miały one zastosowanie w medycynie regeneracyjnej. Docelowo kość miałaby nie tylko łączyć się bezproblemowo z implantem, lecz także wchłaniając go, ulegałaby rekonstrukcji. Jeśli materiał będzie odpowiednio porowaty, przez kanały wnikną w niego naczynia krwionośne i w ten sposób odrastająca kość będzie dobrze odżywiana.

Jeden z preparatów, ten, nad którym pracuje mgr inż. Joanna Czechowska, zawiera fosforan trójwapniowy, który podczas wiązania i twardnienia ulega przemianie we wspomniany wyżej hydroksyapatyt. Dodatkową zaletą tego kompozytu ceramicznego jest to, że może on również służyć jako nośnik leków lub substancji biologicznych dostarczanych bezpośrednio do kości. Używa się do tego porowatych granul ceramicznych o specyficznych właściwościach. – Przy czym tempo uwalniania leku nie może być ani za duże, ani za małe – tłumaczy Czechowska. Do podawania leków nadaje się także inny kompozyt, nad którym pracowała młoda badaczka, w którego skład wchodzą gips oraz hydroksyapatyt z dodatkiem tytanu. W efekcie otrzymujemy preparat implantacyjny, który nie tylko będzie stanowił rusztowanie, na którym odbuduje się kość, lecz także będzie ją pobudzał do wzrostu. Z kolei materiał oparty na fosforanach wapnia i magnezu, nad którym pracuje mgr Dawid Pijocha, jest wyjątkowo prosty w przygotowaniu – do zarabiania wymaga jedynie wody destylowanej, co zmniejsza koszty produkcji i zwiększa jego czas przydatności do użycia.

Niestety, z kompozytowych materiałów implantacyjnych opracowanych przez zespół z AGH nie mogą na razie korzystać lekarze – nie wykonano jeszcze badań klinicznych. Co więcej, zgodnie z prawem przeprowadzenie takich badań jest możliwe dopiero po dokonaniu testów na zwierzętach. Naukowcy byli w stanie potwierdzić korzystne właściwości uzyskanych materiałów tylko w badaniach laboratoryjnych na żywych komórkach. Niestety, na wymagane prawem badania na zwierzętach naukowcy nie otrzymali już grantu. Jeśli nie pojawią się pieniądze na doprowadzenie do końca procesu zatwierdzania kompozytów do leczenia ludzi, wynalazki trafią na półkę, a pieniądze wydane na ich opracowanie będziemy mogli uznać za wyrzucone w błoto. A na to ubogiej podobno polskiej nauki raczej nie stać. Tym bardziej że zagraniczna konkurencja nie będzie czekać, aż zwiększy się finansowanie polskiej nauki. – Na Zachodzie koncerny potrafią szybko wprowadzić takie wynalazki do produkcji – ostrzega dr Aneta Zima z krakowskiego zespołu badawczego.