V soutěži o obálku prestižního časopisu Materials Today vydavatelství Elsevier uspěl se snímkem z elektronového mikroskopu doktorand Karel Tesař. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR (FZU) a na Katedře materiálů FJFI ČVUT v Praze vyvíjí nový materiál pro implantáty, které se v těle rozpustí. Jeho vítězná fotografie zachycuje růst korozních produktů na bublině vodíku v simulovaném tělním roztoku.
Vaše fotografie zaujala editory prestižního časopisu a byla zařazena na jeho obálku. Také Vám v aktuálním čísle časopisu vyšel krátký článek, objasňující vědecké souvislosti snímku1. Co si myslíte, že hodnotitele na snímku zaujalo a mohl byste nám v krátkosti říct, jaký příběh se v něm skrývá?
Především je nutné říci, že je to práce celého týmu, nikoli jedné osoby. Jedná se o snímek související s mým výzkumem, kterému se věnuji v rámci svého doktorského studia, téma mé disertační práce je Tenké hořčíkové dráty pro biodegradabilní implantáty. Domnívám se, že hodnotitele, kromě estetických kvalit snímku, zaujalo především to, že upozorňuje na problémy, které je při vývoji biodegradabilních implantátů nutné řešit. Hořčík se v těle rozpouští za vzniku vodíku a hydroxidu hořečnatého. Pokud je vodíku malé množství, tělo si s ním poradí a je odveden pryč. Pokud ho je ovšem nadbytek, vznikají na implantátu bubliny. Na rozhraní plynu s prostředím těla se vytváří také hydroxid hořečnatý a následně z něj hořčíkem substituovaný hydroxylapatit a jiné fosfáty vápníku. Právě tyto korozní produkty jsou důvodem, proč je hořčík pro podporu hojení kostí tak perspektivní. Jsou totiž chemicky velice podobné anorganické složce lidské kosti. Ta může při svém hojení a růstu tyto uložené minerály využívat. Z vědeckého hlediska je tedy velice užitečné zkoumat, jak se liší korozní produkty na rozhraní hořčík–tělní médium a hořčík–vodík.
Vítězná fotografie
Snímek vznikl v rámci spolupráce s Ústavem struktury a mechaniky hornin AV ČR, kde s docentem Ing. K. Balíkem a jeho spolupracovníky provádíme testy drátků v simulovaných tělních roztocích a popisujeme korozní produkty, které se tam vytvářejí. Spolu s Lenkou Boreckou jsme pomocí elektronového mikroskopu vytvářeli přehled korozních produktů po různé době degradace. Vítězný snímek zachycuje růst korozních produktů na bublině, která se neustále zvětšuje. Jelikož koroze probíhá od povrchu drátu, bublina má možnost růst jen tam, kde ještě nukleace fosfátů vápníku neproběhla. Tak vzniká polouzavřená trubice, která zaujala hodnotitele. Je nutné zmínit, že na většině míst, kde probíhá lokální koroze, nevzniká vodík tak rychle. To má za následek kulové, plně uzavřené bubliny. Při hojení kosti se do takto uzavřeného prostoru nedostanou buňky a vzniká dutina, která může v těle způsobovat řadu problémů. V současné době problém vytváření vodíku řešíme přidáním malého množství zinku do hořčíkové slitiny a potahováním drátů biodegradabilními polymery.
Hořčíkový drát se díky speciální přípravě při opakovaném ohýbání nepřetrhne. Mohl byste nám objasnit mechanismy, které toto neobvyklé chování způsobují?
Na Fyzikálním ústavu AV ČR vyrábíme hořčíkové dráty metodou přímé extruze. Její princip je velice jednoduchý. Přes ocelovou formu protlačíme tyč o průměru 6 mm, kdy výstupní otvor má pouze 0,25 mm. Dostáváme tak finální drát v jediném kroku. Je ovšem velice komplikované uzpůsobit tvářecí formu velmi náročným podmínkám, které musí pro tuto výrobní operaci vydržet. Oproti běžnému hořčíkovému drátu, připravovanému tažením, má náš drát výhodu především při deformaci ohybem. V roce 2016 jsme publikovali studii, ve které jsme vysvětlili tento fakt díky reverzibilnímu dvojčatění2. Z důvodu přednostní orientace krystalků v drátu, způsobené naší metodou výroby, se drát deformuje při ohybu převážně tzv. dvojčatěním. Části krystalů se přesunou tak, že vznikají oblasti krystalové mřížky, které jsou spjaty s původními rovinami souměrnosti (roviny dvojčatění). Při narovnání drátu je pro tyto oblasti krystalu výhodné vrátit se do původního stavu. Vzniká tak menší poškození opakovaným ohybem než u drátu, který se přednostně deformuje skluzem.
Hořčíkový drát s průměrem 250 µm. Modře jsou oblasti s krystaly v původní orientaci. Červeně krystaly kde proběhlo dvojčatění. Zleva: Rovný drát, ohyb kolem tyče s průměrem 3 mm, narovnání drátu, ohyb na opačnou stranu. Po narovnání drátu většina dvojčat vymizí. (Difrakce ve zpětně odražených elektronech, skenovací elektronový mikroskop)
Bez biodegradabilních materiálů se současné zdravotnictví již při léčbě neobejde. Podařilo se Vám najít v přeplněném trhu skulinu pro užití kovového drátu, který by se po nějaké době v těle rozpustil?
Existuje poměrně velké množství případů, kde by se kovový biodegradabilní drát hodil. Kov poskytuje oproti běžně využívaným biodegradabilním polymerům vyšší tvarovou stálost při zatížení. My chceme využít toho, že korozní produkty hořčíku mohou podporovat hojení kostí. Velice častým zákrokem, který vyžaduje použití drátů, je takzvaná střední sternotomie. Aby se kardiochirurg dostal k srdci je nutné podélně rozříznout hrudní kost (sternum), provést operaci a zase oddělené poloviny sterna fixovat k sobě. Pro to se používají převážně ocelové dráty. Pokud tyto dráty nejsou pro pacienta přítěží, tak se z těla nevyjímají. Existují ovšem případy, kdy je přítomnost drátů problém. Zejména u malých dětí, kdy fixační drát může při jejich růstu zarůstat do hrudní kosti. Někteří lidé si také mohou na přítomnost iontů kovů v okolí ocelového drátu vyvinout nesnášenlivost. Biodegradabilní drát, který bude dostatečně dlouho držet obě poloviny sterna u sebe, a pak se rozpustí, by tedy byl velkým přínosem. A to je jedna z možných aplikací našeho drátu. Prozkoumali jsme mechanické vlastnosti drátu3 a prozatím si jsme jisti, že vydrží zatížení u dětí, kde by byl i nejvyšším přínosem. Pro využití u dospělých by bylo nutné slitinu drátu dále vylepšit. A i to je předmětem našeho dalšího výzkumu.
Probíhají in vivo testy hořčíkového drátu na potkanech. Jak se kovový drát osvědčil a je již na základě výsledků možné odhadnout, kdy přejdete do dalšího stupně testování?
Pilotní testy na několika potkanech nám potvrdily nutnost potahovat drátky biodegradabilním polymerem. V současné době, ještě ve spolupráci s 1. lékařskou fakultou Univerzity Karlovy, vyhodnocujeme odebrané vzorky. Díky nim budeme schopni přistoupit k dalším testům, již velmi blízkým finálnímu uplatnění. Koncem tohoto roku se plánují začít experimenty se svazováním hrudní kosti selat ve spolupráci s Ústavem živočišné fyziologie a genetiky AV ČR.
K. Tesař, P. Köppl, foto: K. Tesař
Literatura
[1] K. Tesař, K. Balík: Nucleation of corrosion products on H2 bubbles: A problem for biodegradable magnesium implants? Materials Today, In press., DOI: 10.1016/j.mattod.2020.04.001
[2] A. Jäger, S. Habr, K. Tesař: Twinning-detwinning assisted reversible plasticity in thin magnesium wires prepared by one-step direct extrusion, Materials & Design 110, (2016), 895-902., DOI: 10.1016/j.matdes.2016.08.016
[3] K. Tesař, K. Balík, Z. Sucharda, A. Jäger: Direct extrusion of thin Mg wires for biomedical applications, T. Nonferr. Metal. Soc. 30 (2020), 373-381.,DOI: 10.1016/S1003-6326(20)65219-0