Nápady a objevy

11. února 2019

David Nečas z FSI zkoumá materiál, který by mohl nahradit lidskou chrupavku

Na vývoji hydrogelu chce David Nečas dál spolupracovat s Kjúšúskou univerzitou v Japonsku | Autor: Archiv Davida Nečase
Jak funguje mazací kapalina v kloubech? A jaký materiál by v budoucnu mohl sloužit jako náhrada lidské chrupavky? To jsou některá z témat, kterými se zabývá biotribolog David Nečas z Ústavu konstruování Fakulty strojního inženýrství VUT. V loňském roce se mu podařilo získat prestižní grant od Japan Society for the Promotion of Science. Sedm měsíců tak strávil studiem tření kloubní chrupavky v laboratořích Kjúšúské univerzity v Japonsku.

Čím se biotribologie vlastně zabývá?

Je to věda o tření, opotřebení a mazání v biologických systémech. Díky ní můžeme zjistit, proč a za jakých podmínek dochází k opotřebení umělých kloubních náhrad. Využívá se ale i v mnoha dalších oblastech. Vědci řeší třeba otírání očního víčka o kontaktní čočku, kontakt zubního kartáčku s dásněmi nebo problematiku zpracování potravy. Téměř všechny významné firmy, které se zabývají vývojem potravin, se snaží docílit toho, aby konzumace jejich produktů byla pro člověka příjemná. Proto například testují, na jakém oleji a jak dlouho smažit bramborové lupínky, aby lidé neměli pocit nepříjemného škrábání v ústech.

Vy se ale specializujete na tribologii kloubů…

Ano, na Odboru tribologie na FSI se zabýváme především mazáním a opotřebením umělých kyčelních a kolenních kloubů. Počet umělých kloubů neustále narůstá, protože se lidé dožívají vyššího věku a jsou aktivnější. Vývoj jde sice neustále kupředu, ale problémem zůstává, že většina náhrad po nějaké době selže. Více než v polovině případů je to v důsledku vzájemného otírání povrchů. Dochází k úbytku materiálu, uvolněné částečky reagují s okolními tkáněmi a objevují se zánětlivé reakce. Nakonec se implantát z kosti uvolní a je nutné znovu operovat. Starším lidem může náhradní kyčelní kloub vydržet i patnáct let. Těm mladším a aktivnějším třeba jen tři roky. Je to velmi individuální. Proto se snažíme zjistit, jak prodloužit životnost umělých kloubních náhrad. Vědci se tím zabývají už desítky let. Většinou se soustředili pouze na opotřebení, a ne na celý tribologický proces, který zahrnuje i tření a mazání.

Simulátor pro studium tření a opotřebení kolenních a kyčelních kloubů | Autor: Archiv Davida Nečase
Jakou roli v celém procesu opotřebení umělého kloubu hraje mazání?

Velkou. Pokud je v kloubu zhoršené mazání, zvýší se při pohybu tření mezi hlavičkou a kloubní jamkou. Materiál se více odírá, po nějakém čase náhrada selže a pacient musí znovu na operaci. My jsme se na VUT jako jedni z prvních na světě dokázali podívat na mazací film uvnitř umělého kyčelního kloubu. Samozřejmě na simulátoru, provádět taková měření v lidském těle není možné. K výrobě kloubních náhrad se využívá kombinace kovu nebo keramiky a plastu. Ani jeden z těchto materiálů není průhledný, proto jsme si postavili simulátor, který má kloubní jamku z průhledného plastu. Vidíme tak dovnitř a dokážeme pochopit, jak se v kloubu vytváří mazací vrstva. Vidíme, jak je silná a z jakých látek se skládá. Kombinujeme metody optické interferometrie a fluorescenční mikroskopie. První z metod vznikla na našem ústavu před více než dvaceti lety. Vývojem druhé metody jsem se zabýval v rámci svojí dizertační práce. Zjistili jsme například, že zásadní roli v procesu mazání hraje kyselina hyaluronová s fosfolipidy.

Loni jste získal grant a odjel do Japonska. Čeho se váš výzkum na Kjúšúské univerzitě týkal?

Projekt byl zaměřen na studium super-nízkého tření lidské chrupavky. Snahou japonských vědců je vyvinout materiál, kterým by bylo možné v případě potřeby kloubní chrupavku nahradit. Chtěli bychom předejít nutnosti zavádění kompletních kloubních náhrad. Náhrada se do člověka vkládá v okamžiku, kdy je chrupavka natolik poškozená, že dochází k přímému kontaktu kostí, a to je extrémně bolestivé. Úplná náhrada kloubu však samozřejmě představuje významný zásah do života pacienta. Aby nebylo nutné vyměňovat celý kloub, snaží se japonští kolegové vyvinout materiál, který by se choval podobně jako chrupavka. Ta dokáže v kloubu zajistit tak nízké přirozené tření, že jeho úroveň odpovídá bruslení na ledě. Proto je pro zdravého člověka pohyb přirozený a bezbolestný. Biologický systém kloubu je prakticky dokonalý a my se mu snažíme co nejvíce přiblížit.

A podařilo se takový materiál vyvinout?

V Japonsku se tím zabývají více než dvacet let a vyvinuli už několikátou generaci tohoto materiálu. Jedná se o takzvaný hydrogel, který je na bázi polyvinylalkoholu. Do značné míry se podobá lidské chrupavce. Je měkký, má dobré mazací schopnosti a vykazuje velmi nízké tření. Problém ale je, že nevydrží zátěž v kloubu a po nějakém čase se při testech na simulátoru rozpadne. Na vývoji tohoto materiálu chceme s Kjúšúskou univerzitou dál spolupracovat. Japonští kolegové nám budou posílat vzorky, které budeme s využitím našich metod testovat. Cílem je zjistit, jak se vytváří mazací film mezi hydrogelem a kloubní hlavicí. Chtěli bychom přispět ke snížení počtu kompletních kloubních náhrad a jejich opakovaných operací.

Jak se vám líbila výzkumná práce na japonské univerzitě?

Na začátku jsem ani nedoufal, že by to mohlo vyjít. Ve spolupráci s profesorem Sawaem jsme žádali o prestižní grant od Japan Society for the Promotion of Science a šance na jeho získání byly velmi malé. Za posledních deset let bylo úspěšných asi jen deset vědců z České republiky a projekty z oblasti strojního inženýrství příliš podporované nejsou. Nakonec jsme byli úspěšní a já jsem strávil sedm měsíců na Kjúšúské univerzitě. Zajímavé bylo, že japonští doktorandi v průběhu studia neučí, a věnují se pouze práci v laboratoři. A jsou také velmi zodpovědní, kdyby totiž měli špatné výsledky, vnímali by to osobně. Souvisí to s tím, že si za doktorské studium platí vysoké částky. Proto se snaží pracovat takovým způsobem, aby byli v budoucnu úspěšní. Jsou tam velmi šikovní lidé. S Kjúšúskou univerzitou spolupracujeme v oblasti tribologie už šest let a věřím, že budeme i nadále.

(mar)

Vstoupit do fotogalerie

Tématavěda a výzkum zahraničí Fakulta strojního inženýrství

Související články:
Student vymyslel novou metodu výroby očních protéz. Tiskne je na 3D tiskárně
Motor vzadu? Porsche, tipovali Japonci škodovku
„Vypečená“ konzola míří z tiskárny do vesmíru
Grafen - mladý a nedočkavý favorit
V CEITECu zkoumají mozek. Zaměřují se především na nervy a cévy