Jak zvýšit životnost kloubních náhrad 20.11.09
K nejvíce zatěžovaným a nejčastěji vyměňovaným kloubům patří kyčle a kolena, běžně se ale nahrazují i lokty, ramena či kotníky.
Zpočátku se životnost kloubních náhrad pohybovala okolo pěti až deseti let. Umělé klouby se však neustále zlepšují a dnes se u nejlepších typů kloubních náhrad hovoří o životnosti kolem dvaceti let. Nicméně ani nejlepší umělý kloub nevydrží neomezeně dlouho, takže zvyšování životnosti je předmětem výzkumu po celém světě.
Kloubní náhrady zpravidla sestávají ze dvou hlavních komponent. První bývá z kovové slitiny (často v kombinaci s vysoce tvrdou keramikou) a druhá z polyetylenu s ultravysokou molekulovou hmotností (Ultra-High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE). Např. u typické náhrady kyčelního kloubu tvoří acetabulární komponentu jamka z UHMWPE a femorální komponentu kovový dřík s keramickou či kovovou hlavicí (obr. a, b). Polymer UHMWPE je v současnosti považován za tzv. zlatý standard na poli kloubních náhrad, protože má vynikající biokompatibilitu, velmi dobré kluzné vlastnosti a dostatečné mechanické vlastnosti.
Největší slabinou jinak velmi dobrého materiálu UHMWPE je otěr – vznik mikroskopických částic v důsledku vzájemného pohybu kovových/keramických a polymerních komponent kloubních náhrad (obr. c). Ve skutečnosti je odolnost polymeru UHMWPE vůči otěru nadprůměrně vysoká, ale klouby jsou velmi zatěžované části lidského těla a měly by vydržet nejméně několik let, tudíž i velmi malá rychlost otěru v řádech desetin milimetru za rok může způsobit značné problémy. Lze snadno spočítat, že pokud z průměrné kloubní náhrady vinou otěru zmizí jen desetina milimetru ročně, představuje to 17 biliónů typických otěrových částic o velikosti 0,3 mikrometru (viz velikosti otěrových částic na obr. c).
Otěr hlavní příčinou selhání kyčelních náhrad
Z makroskopického hlediska vede otěr ke ztenčování polymerního materiálu (obr. d), který pak může prasknout, nebo dokonce k úplnému opotřebení jamky (obr. e), po němž musí samozřejmě následovat reoperace. Z mikroskopického hlediska je problém ještě závažnější – submikronové částice uvolňované z polymerních částí kloubních náhrad (obr. c) způsobují v okolních tkáních zánětlivé reakce, které následně vedou k jejich rozkladu, včetně kostí, v nichž je kloubní náhrada ukotvena (obr. b). Celý proces se nazývá aseptické uvolnění a je považován za hlavní příčinu selhání nejčastěji operovaných kyčelních kloubních náhrad. Navíc se uplatňuje i u druhých nejčastějších kloubních náhrad kolena. V české odborné literatuře se často hovoří o tzv. polyethylenové chorobě.
V současnosti je na trhu mnoho typů kloubních protéz. Zpravidla vydrží v těle pacienta několik let a pak se začnou objevovat objektivní obtíže, subjektivní bolesti a nakonec je nutno kloubní náhradu znovu nahradit. Celá reoperace opět stojí cenný čas špičkových ortopedů, znovu způsobí po určitou dobu bolesti pacientovi a zase spotřebuje značné finanční prostředky. Stávající kloubní náhrady se liší nejen původem, cenou a konstrukcí, ale také typem polymeru UHMWPE. Jelikož otěr UHMWPE je hlavní příčinou selhání kloubních náhrad, modifikovaný polymer se zvýšenou odolností vůči otěru může prodloužit životnost kloubní náhrady na dvojnásobek i více.
Klíčovou otázkou tedy je, jak lze zvýšit odolnost UHMWPE vůči otěru. Molekula UHMWPE má velmi jednoduchou strukturu a sestává z opakujících se strukturních jednotek -CH2-CH2-. Protože má ultravysokou molekulovou hmotnost, strukturních jednotek je v řetězci kolem 150 000, což představuje 300 000 uhlíkových atomů v řadě za sebou. Jedná se o výjimečně vysoké číslo i mezi polymery – kdybychom molekulu zvětšili tak, že by měla tloušťku stejnou jako špageta, její délka by byla větší než jeden kilometr! Běžný polyetylen, používaný pro výrobu spotřebního zboží (sáčků, kuchyňských potřeb apod.), má molekulu přibližně 30násobně kratší.
Řešením je síťování polymeru pomocí záření
Experimenty prokázaly, že vysokomolekulární UHMWPE se v umělých kloubech otírá mnohem méně než standardní polyetylen. Dalšího snížení otěru lze dosáhnout, pokud se molekuly UHMWPE mezi sebou navzájem propojí. Tomuto procesu se říká síťování, neboť při dostatečném množství spojek mezi řetězci vznikne trojrozměrná polymerní síť, v níž jsou téměř všechny molekuly navzájem pospojovány tak, že tvoří jednu ohromnou makromolekulu.
Síťování UHMWPE, které vede ke snížení otěru, ovšem podléhá jednomu závažnému omezení – medicinální UHMWPE musí být z důvodů biokompatibility zcela čistý. Molekuly tedy nelze propojit čistě chemickou cestou, neboli prakticky nelze do polymeru přidávat chemické látky způsobující zesítění.
V případě UHMWPE lze však použít fyzikálních modifikací, kdy se na polymer působí ionizujícím zářením. Používá se téměř výhradně gama záření nebo urychlených elektronů a celý proces zpravidla sestává ze tří kroků: z ozařování polymeru ionizujícím zářením, tepelné úpravy polymeru a na závěr sterilizace finálního produktu. Klíčový je první krok. Za vhodných podmínek (vhodného typu záření, radiační dávky, radiační rychlosti, okolní atmosféry, okolní teploty) reaguje polymer se zářením tak, že se jednotlivé molekuly spojují do sítě (crosslinking), což vede k vyšší odolnosti UHMWPE vůči otěru. Za nevhodných podmínek se naopak jednotlivé molekuly štěpí na kratší řetězce (chain scission) a polymer se blíží standardnímu polyetylenu, jehož otěrová odolnost je několikanásobně nižší.
Druhý krok modifikace – tepelná úprava – slouží k odstranění zbytkových radikálů po ozařování, a tím k zajištění dlouhodobé stability polymeru v lidském těle. Rovněž je zde nutné pečlivě zvolit okolní podmínky (teplotu, rychlost ohřevu, rychlost chlazení, okolní atmosféru), aby si modifikovaný produkt zachoval co nejlepší vlastnosti. Třetí krok, tedy sterilizace, je samozřejmou a nezbytnou součástí úprav materiálu, který nesmí v těle způsobit infekci. I při sterilizaci je ovšem třeba pečlivě zvolit podmínky (typ a dobu sterilizace), aby zůstaly zachovány žádoucí vlastnosti materiálu.
ČR má také vlastní vysoce síťovaný polymer
Konečným cílem výše popsaných modifikací panenského polymeru UHMWPE je, aby se co nejvíce zvýšila jeho otěrová odolnost, a přitom se co nejméně ovlivnily ostatní, pro danou aplikaci dostatečně dobré vlastnosti polymeru. V případě úspěchu je výsledkem tzv. vysoce síťovaný UHMWPE (highly crosslinked UHMWPE), navíc s dlouhodobou stabilitou díky vhodně zvolené tepelné úpravě a sterilizaci. Kloubní náhrady ze síťovaného UHMWPE podle všech dostupných laboratorních testů i prvních klinických výsledků vykazují vyšší životnost, která může pravděpodobně dosahovat i více než dvaceti let.
Mnoho zahraničních firem nalezlo způsoby, jak síťovaný UHMWPE připravit. Kyčelní kloubní náhrady založené na tomto materiálu jsou tedy už na českém trhu nabízeny. U ostatních typů náhrad, kde otěr není hlavní příčinou selhání, se v současnosti většinou používá standardní UHMWPE, který má zpravidla o něco lepší tahové a únavové vlastnosti. Nicméně při sterilizacích nových typů UHMWPE pro kolenní náhrady se využívají i poznatky získané v průběhu vývoje síťovaných polymerů.
Z českých výrobců kloubních náhrad nedávno zavedla do výroby moderní síťovaný UHMWPE firma Beznoska Kladno. Český vysoce síťovaný UHMWPE je založen na postupu vyvinutém, testovaném a patentovaném v Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR. Nyní nezbývá než doufat, že se potvrdí první velmi slibné klinické výsledky a že kloubní náhrady s novými typy UHMWPE budou také v dlouhodobém horizontu přinášet úlevu pacientům i peněženkám daňových poplatníků.
RNDr. Miroslav Šlouf, Ph.D., Ústav makromolekulární chemie, v. v. i., Akademie věd České republiky
Poznatky shrnuté v tomto článku byly získány v průběhu řešení grantových projektů GA ČR 106/04/1118 a MŠMT 2B06096.
Reagovat