Proč kyčelní a kolenní implantáty selhávají? Vědci odhalují dynamiku opotřebení a koroze v těle

Kyčelní a kolenní implantáty jsou navrženy tak, aby obnovily pohyb a zmírnily bolest, často poskytují pacientům druhou nebo i třetí šanci na mobilitu. Ačkoliv moderní implantáty překonávají očekávání a slouží mnoho let, jejich trvanlivost uvnitř lidského těla není nikdy statická.

Kyčelní a kolenní implantáty jsou navrženy tak, aby obnovily pohyb a zmírnily bolest, často poskytují pacientům druhou nebo i třetí šanci na mobilitu. Ačkoliv moderní implantáty překonávají očekávání a slouží mnoho let, jejich trvanlivost uvnitř lidského těla není nikdy statická. Jakmile je do těla zaveden cizí materiál, chemie těla se neustále mění, i když pacient nepociťuje bolest ani jiné příznaky.

Nedávná studie publikovaná v časopise npj Materials Degradation, na níž se podíleli vědci z Western University a London Health Sciences Center Research Institute (LHSCRI), zkoumala více než 240 vyjmutých komponent kyčelních a kolenních implantátů. Cílem bylo pochopit, jak a proč se tyto implantáty časem degradují. Výzkumníci, včetně profesorky chemie Yolandy Hedberg a vědce Matthewa Teetera, použili optickou a skenovací elektronovou mikroskopii spolu se spektroskopií k hodnocení poškození povrchu a identifikaci korozních vzorů.

Zjistili, že dominantním procesem degradace je mechanicky asistovaná koroze, známá jako tribokoroze. Tento typ koroze nastává, když pohyb a chemické procesy působí na stejný povrch současně, což urychluje poškození nad rámec toho, co by způsoboval každý proces samostatně. Většina implantátů spoléhá na tenkou ochrannou oxidovou vrstvu, která se přirozeně tvoří na kovech, jako je titan, a funguje jako bariéra mezi kovem a okolními biologickými tekutinami. Pohyb uvnitř kloubu však tuto vrstvu opakovaně narušuje. Jakmile je ochranná vrstva narušena, povrch se stává reaktivním, tělesné tekutiny interagují přímo s exponovaným kovem a korozní procesy začínají téměř okamžitě. Systém pak oxidovou vrstvu znovu obnoví, jen aby byla opět narušena dalším pohybem.

Biologie přidává další vrstvu složitosti. Jakmile je implantát umístěn do těla, jeho povrch pokryjí proteiny z okolních tekutin. Tento povlak ovlivňuje, jak reagují buňky a tkáně. V závislosti na tom, které proteiny dominují na povrchu implantátu, se výsledky mohou posunout směrem k integraci kosti, zánětlivé reakci nebo bakteriální kolonizaci. V některých případech proteiny přispívají k ochrannému chování, v jiných k degradačním procesům. Studie také odhalila, že infekce před nebo během operace korelovala s vyšším skóre poškození trunnionu (spojovacího bodu umělého kyčelního kloubu), zatímco zánětlivá artritida a cementované kyčelní implantáty korelovaly s nižším skóre poškození.

Pochopení těchto mechanismů selhání je klíčové. Matthew Teeter, ředitel Western's Bone and Joint Institute, zdůrazňuje, že propojení designu implantátu, materiálů a biologie pacienta poskytuje výrobcům důkazy pro výrobu lepších zařízení a chirurgům vhled pro skutečně pacientům na míru šitá rozhodnutí. Laboratoř pro získávání implantátů v LHSCRI, kterou Teeter vede, je domovem největší sbírky selhaných kyčelních, kolenních, ramenních a zubních implantátů v Kanadě, což umožňuje hlubší výzkum mechanismů selhání.