Kloubní náhrady pacientům na míru: Výzkumníci z VUT patentují nový design a technologii

S originálním způsobem řešení celosvětového problému opotřebení kloubů přišli výzkumníci z Ústavu strojírenské technologie Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. Jejich design a technologie nahrazuje opotřebený nebo poškozený kloub jen v nezbytně potřebném rozsahu, odstraňuje i určité vrozené vady, zachovává maximum pacientovy kostní hmoty a jako první na světě dodává kloubu potřebnou pružnost.

Operace poškozených nebo opotřebených kloubů patří mezi nejčastější chirurgické výkony. Pro pacienta se přitom jedná o náročný zásah do organismu. V současnosti se musí kost upravit na míru zvolenému implantátu, pacient tak lokálně v relativně velkém rozsahu přichází i o zdravé části tkáně. Kovové náhrady navíc neumí zajistit dostatečné odpružení a mohou způsobovat sekundární zdravotní problémy (odumírání kostní hmoty v místě implantátu, bolesti zad apod.).

„Když jsem se během svého působení v Sheffieldu ve Velké Británii poprvé seznámil s operací kolene, byl jsem jako laik doslova šokován tím, k jak velkému zásahu do lidského těla dochází. To byl rok 1997 a od té doby jsem přemýšlel, jak vyřešit kloubní implantáty, které se přizpůsobí na míru pacientovi, nikoliv naopak. Dlouhá léta jsem si myslel, že snad už nic nového nevymyslíme, ale naše finální řešení je originální a na vysoké technologické úrovni. Zvláště poslední léta už bylo spíše potěšením pozorovat, jak se daří našemu týmu integrovat dílčí kroky pokročilého designu a technologií,“ vzpomíná Miroslav Píška z Ústavu strojírenské technologie FSI VUT, který na vynálezu se svým týmem pracoval více než dvacet let.

Oproti současným řešením se design implantátu vyvinutý na VUT s vysokou přesností podřizuje skutečnému kloubu pacienta, kde nahrazuje chrupavku a nekrotickou kostní tkáň a nikoliv naopak, že by se podle hotového implantátu upravoval kloub pacienta. Vzniká totiž na míru na základě modelu, který vychází z CT snímků pacientova kloubu. Nový implantát je také výrazně lehčí než stávající odlitky, výkovky nebo obrobky, a přitom je dostatečně pevný a odolný. Je vyráběn z kovového prášku metodou EBM (angl. Electron Beam Melting), tedy tavením pomocí elektronového paprsku ve vakuu.

Právě hledání vhodného materiálu a technologie zabralo vědeckému týmu roky práce. „Přibližně před deseti lety se u nás zkoušely ve spolupráci s českými firmami laserové technologie 3D tisku, ale ty rovněž neskončily příliš povzbudivě. Vhodná se ukázala až aplikace 3D tisku z titanové slitiny ve vakuu pomocí elektronového paprsku,“ říká spoluautorka vynálezu Katrin Bučková, která na výzkumu pracovala jako studentka a výzkum se stal i nosným tématem pro její bakalářskou a diplomovou práci. „Mohla jsem komunikovat s vynikajícími odborníky z 3D modelování, materiálového inženýrství i se specialisty přímo v zahraničních firmách, z nichž švédská firma GE ARCAM byla velmi nápomocná. Nakonec rozhodla analýza úspěšných únavových zkoušek na Ústavu fyziky materiálů Akademie věd, kde vzorky vydržely i 13 miliónů cyklů bez porušení. Zkoušky potvrdily, že se jedná o mimořádně kvalitní materiál,“ dodává spoluautorka vynálezu.

Ke vpravení implantátu do těla pacienta není potřeba robotické ruky, jak vědci dříve zamýšleli. „Místo toho se vytvoří speciální šablona, pomocí které se implantát přesně napolohuje a zafixuje. Výztužné žebro dodává implantátu vysokou tuhost a odolnost proti poškození, třeba když odoperovaný člověk později upadne. A zmíněná elasticita se získává vhodným umístěním pružného členu – například ze silikonu - do sestavy protilehlého kusu. Její mechanické vlastnosti je možné dále upravit vzhledem k hmotnosti pacienta a předpokládané dynamice jeho chůze, což uleví mimo jiné i páteři,“ vysvětluje Miroslav Píška. A dodává, že jelikož je pružný díl „schovaný“ uvnitř protilehlého kusu, je implantát vhodný i pro pacienty alergické na silikon.

Na vývoji s vědeckým týmem spolupracoval i radiolog Petr Krupa z Fakultní nemocnice Ostrava. „Uvedený systém je vrcholovou ukázkou takzvané tailored surgery, neboli chirurgie na míru, a to při minimálním zásahu do biologického systému. V důsledku dojde k minimální traumatizaci pacienta a jeho tkání při dosažení maximálního terapeutického výsledku při remodelaci původní funkce patologicky změněného kloubu. Výsledkem může být dokonalejší obnovení pohybových možností pacienta a zkrácení doby jeho rehabilitace,“ hodnotí Krupa.

Vědecký tým už své řešení přihlásil k patentování. O využití vynálezu má zájem několik ortopedických a veterinárních klinik. Výzkumníci nyní řeší další kroky, které by pomohly dostat nadějnou technologii do klinické praxe.