LVKĶI attīsta bērza koksni osteosintēzes implantiem

Osteosintēzē – kaulu lūzumu fiksācijā – par zelta standartu joprojām tiek uzskatīti metāla implanti, visbiežāk nerūsējošais tērauds vai titāns. Šie materiāli ir mehāniski izturīgi un klīniski plaši pārbaudīti, taču tie nav piemēroti visiem pacientiem. Aptuveni 2–5 % pacientu tiek novērota metālu nepanesamība, alerģiskas reakcijas vai hroniski iekaisumi ap implanta zonu. Šādās situācijās var būt nepieciešama atkārtota ķirurģiska iejaukšanās vai alternatīvu risinājumu meklēšana.

Papildus imunoloģiskajiem riskiem metāla implanti būtiski atšķiras no kaula mehāniskajām īpašībām – tie ir ievērojami stingrāki par dabīgo kaulaudu. Šī mehāniskā neatbilstība var ietekmēt slodzes pārdali un atlabšanas procesu. Šādos gadījumos ir nepieciešami bioloģiski saderīgi, nemetāliski materiāli ar kontrolējamu mehānisko uzvedību.

Zinātniskais pamats: mehāniskā stabilitāte bez agresīvas ķīmijas

Platformas BioPhoT projekta OsteoWood (IVPP-EM-Inovācija-2024/1-0002) komandas jaunajā publikācijā NaOH-Only Pretreated Wood Densification: A Simplified Sulfite-Free Route Across Wood Species parādīts, ka augstu mehānisko stabilitāti iespējams panākt ar vienkāršotu sārmainu apstrādi ar nātrija hidroksīdu (NaOH), bez sulfītiem un bez plašas lignīna izšķīdināšanas. Praktiski tas nozīmē: koksne netiek “izjaukta”, bet kļūst plastiskāka un pakļāvīgāka sablīvēšanai.

Mūsu zinātnieki pētījumā atklāj, ka mērena NaOH apstrāde galvenokārt atšķeļ acetilgrupas un daļēji pārkārto saites starp koksnes polimēriem, palielinot šūnu sienu plastiskumu. Citiem vārdiem – materiāls kļūst “elastīgāks no iekšpuses”, nezaudējot savu pamata struktūru.

Presēšanas laikā šūnu dobumi gandrīz pilnībā sabrūk un izveidojas ļoti kompakta struktūra – līdzīgi kā porains materiāls, kuru cieši sapresē līdz blīvam blokam. Rezultātā blīvums sasniedz aptuveni 1200–1250 kg/m³, bet mehāniskie rādītāji pieaug vairākas reizes. Bērza gadījumā elastības modulis (MOE) sasniedz ap 30 GPa, bet lieces stiprība – līdz ~400 MPa.

Ph. D. Mārtiņš Andžs

Svarīgi, ka šis efekts panākts bez agresīvu ķīmisku vielu klātbūtnes. Tas nav process, kurā materiālu “izšķīdina un būvē no jauna” – drīzāk tas līdzinās rūpīgai iekšējai pārkārtošanai.

Šis princips, kur struktūra tiek aktivizēta, nevis noārdīta, ir būtisks arī biomateriālu attīstībā, kur svarīgi saglabāt dabisko polimēru karkasu un vienlaikus iegūt ievērojami augstāku mehānisko stabilitāti, radot priekšnoteikumus materiāla izvērtēšanai arī medicīniskajā kontekstā.

Pamatpētījuma turpinājums biomateriālu virzienā

Šie mehāniskie un strukturālie rezultāti veido pamatu nākamajam posmam – materiāla izvērtēšanai biomateriālu kontekstā. OsteoWood projekta ietvaros koksnes blīvināšanas princips tiek attīstīts tālāk, lai izvērtētu tā piemērotību osteosintēzes pielietojumam.

Šajā posmā uzmanība tiek pievērsta ne tikai mehāniskajiem parametriem, bet arī ķīmiskajai modifikācijai, virsmas īpašībām un šūnu saderībai laboratorijas apstākļos (TRL3). Papildus mehāniskajai un strukturālajai analīzei tiek veikta arī funkcionāla modificēšana, ievadot materiālā oligo-hitozānu, lai uzlabotu šūnu piesaisti un potenciālo mijiedarbību ar kaulaudiem. Lai pārliecinātos, ka izstrādātais materiāls nav tikai mehāniski atbilstošs, bet arī drošs bioloģiskā vidē, mūsu zinātnieki sadarbībā ar Latvijas Organiskās Sintēzes institūtu (OSI) veic laboratorijas šūnu saderības testus. Tie ļauj novērtēt, kā šūnas reaģē uz materiāla virsmu – vai tās pieķeras, vai proliferē, vai nerodas citotoksiska reakcija. Šis posms atbilst TRL3 līmenim – koncepta eksperimentālai validācijai laboratorijas apstākļos.

“Kopumā OsteoWood pētījumi nav mēģinājums vienkārši aizstāt metālu ar koksni. Tas ir sistemātisks darbs pie tā, lai no vietēja atjaunojama resursa izveidotu mehāniski stabilu un bioloģiski saderīgu materiālu konkrētām, klīniski definētām indikācijām. Mēs strādājam pie tā, lai šis materiāls būtu bioloģiski saderīgs ar cilvēka organismu – netoksisks, stabils un piemērots ūdens vai fizioloģiskā šķīduma vidē,” uzsver projekta vadītāja Dr. chem. Laura Andže. “Ja izdotos sasniegt līdzvērtīgu stingrības līmeni kā kortikālajam kaulam, šāds materiāls varētu kļūt par alternatīvu metāla implantiem.”

Pētniecības attīstības perspektīva

OsteoWood projekts iezīmē loģisku turpinājumu fundamentālajiem pētījumiem koksnes ķīmijā un mehāniskajā veiktspējā. Paralēli tam dalība BioPhoT platformā paplašina mūsu zinātnieku darbu ārpus laboratorijas robežām. Tā nodrošina dialogu ar medicīnas, inovāciju un industrijas partneriem, ļaujot izvērtēt potenciālos pielietojuma scenārijus un turpmākās attīstības iespējas.

Tieši šāda pēctecība ļauj sistemātiski izvērtēt koksnes potenciālu nišas medicīniskos pielietojumos, balstoties eksperimentāli iegūtos datos.

Nr. IVPP-EM-Inovācija-2024/1-0002 “Ilgtermiņa valsts pētījumu programmas projekts “Biomedicīnas un fotonikas pētniecības platforma inovatīvu produktu radīšanai”