Znajdź zawartość

Na Politechnice Federalnej w Zurychu opracowano nową metodę wytwarzania plastycznych mikrostruktur, w tym stentów 40-krotnie mniejszych od możliwych do uzyskania za pomocą dotychczasowych technologii. W przyszłości zostaną one wykorzystane np. do rozszerzania zagrażających życiu zwężeń cewek moczowych u płodów. Szwajcarzy podkreślają, że zwężenie cewki moczowej rozwija się u ok. 1 dziecka na 1000, czasem dochodzi do tego jeszcze w łonie matki. Dzisiaj w takiej sytuacji chirurdzy operacyjnie usuwają nieprawidłowy fragment cewki. Bezpieczniej dla nerek byłoby jednak posłużyć się stentem, który poszerzałby krytyczne miejsce jeszcze w czasie życia płodowego. Stenty stosuje się w kardiologii interwencyjnej przy chorobie niedokrwiennej serca. Umieszcza się je wewnątrz naczynia, by przywrócić jego drożność. Struktury układu moczowego płodów są jednak o wiele mniejsze. Ponieważ za pomocą konwencjonalnych metod nie da się uzyskać tak niewielkich rozmiarów, chirurg pediatryczny Gaston De Bernardis z Kantonsspital Aarau poprosił o pomoc specjalistów z Multi-Scale Robotics Lab na Politechnice Federalnej w Zurychu. Zespół opracował nowa metodę produkcyjną, dzięki której udało się uzyskać struktury o średnicy poniżej 100 mikrometrów. Autorzy publikacji z pisma Advanced Materials Technologies nazywają tę technikę pośrednim drukiem 4D (ang. indirect 4-D printing). Jak tłumaczy Carmela De Marco, za pomocą promienia lasera tworzy się trójwymiarową matrycę (negatyw 3D). Następnie wypełnia się ją polimerem z pamięcią kształtu (ang. shape-memory polymer, SMP) i utrwala strukturę za pomocą ultrafioletu. Na końcu matrycę usuwa się za pomocą kąpieli w rozpuszczalniku - stent jest już gotowy. Czwarty wymiar zapewnia pamięć kształtu; nawet gdy materiał zostanie zdeformowany, pamięta, jak wygląda oryginalnie i ogrzany powraca do tej postaci. Polimery z pamięcią kształtu nadają się do leczenia zwężeń cewki moczowej. Skompresowany stent z SMP można by wprowadzić do przewężenia. Po implantacji wracałby on do pierwotnego kształtu, rozszerzając przy okazji zmieniony chorobowo odcinek układu moczowego - wyjaśnia De Bernardis. Podczas eksperymentów zespół De Marco stosował pośredni druk 4D nie tylko do produkcji stentów. W tych samych etapach produkowano też wypełnione magnetycznymi nanocząstkami hydrożelowe helisy. Po umieszczeniu w wirującym polu magnetycznym zaczynały one "pływać", przypominając sztuczne wici bakteryjne. Nim rozpoczną się testy kliniczne na ludziach, które pokażą, czy nowe stenty sprawdzają się w leczeniu wrodzonych wad układu moczowego u dzieci, konieczne są badania na modelach zwierzęcych. Dotychczasowe wyniki są jednak obiecujące. Jesteśmy przekonani, że nasze rezultaty torują drogę rozwojowi nowych narzędzi do chirurgii minimalnie inwazyjnej. « powrót do artykułu

Pokrycie implantów stawów kolanowych rodnikami sprawia, że są one przez organizm postrzegane jako ciała w mniejszym stopniu obce. Zmniejsza to ryzyko odrzucenia protez przez organizm. Prof. Marcela Bilek z Uniwersytetu w Sydney sądzi, że wolne rodniki tworzą wokół powierzchni implantu coś w rodzaju czapki niewidki. Australijczycy wyjaśniają, że implanty stawów kolanowych czy biodrowych, stenty itp. z definicji wymagają kontaktu struktur biologicznych z metalem czy plastikiem. Kiedy jednak białka stykają się ze sztucznymi powierzchniami, ulegają denaturacji i zatracają swoją konformację przestrzenną, która jest im niezbędna do prawidłowego funkcjonowania. Organizm próbuje je naprawiać, a gdy się to nie udaje, wskutek nadmiernego włóknienia implant zostaje otoczony grubą warstwą tkanki bliznowatej. Naukowcy z antypodów wyszli z założenia, że potrzebne są silnie wiążące (się) powierzchnie, które nie wywołują denaturacji kompatybilnego białka. Tradycyjne powierzchnie hydrofilne spełniają jeden z tych warunków - nie prowadzą do denaturacji unieruchomionych protein - ale niestety, wykazują do nich niskie powinowactwo. Po przejrzeniu literatury przedmiotu i wygenerowaniu własnych hipotez zespół Bilek przetestował więc metodę wykorzystującą naczynie z plazmą i strumienie jonów. Dzięki niej uzyskano powierzchnię hydrofilną, zdolną do wiązania kowalencyjnego z czynnymi biologicznie cząsteczkami. Podczas eksperymentów okazało się bowiem, że siły elektrostatyczne powodują, iż jony w plazmie uderzają w powierzchnię materiału, np. metalu, i zaczynają go penetrować, prowadząc do powstania rodników z niesparowanymi elektronami. Po wyjęciu powierzchni z plazmy rodniki migrują na powierzchnię, gdzie reagują z tlenem z powietrza. Wskutek tego materiał staje się hydrofilny i przyciąga białka, które są normalnie złożone w taki sposób, że część wykazująca powinowactwo do wody znajduje się na zewnątrz. Z czasem coraz więcej rodników migruje na powierzchnię, dzięki czemu między nimi a białkami mogą powstać wiązania kowalencyjne. Australijczycy udowodnili, że czas utworzenia monowarstwy kowalencyjnie związanych białek zależy od kinetyki, a także liczby cząsteczek protein w roztworze oraz wolnych rodników w rezerwuarze pod powierzchnią badanego materiału. Jako że magazyn rodników można wytworzyć w każdym ciele stałym, metoda zespołu Bilek sprawdzi się w odniesieniu do różnego rodzaju urządzeń biomedycznych, od stentów po płucoserca. Warto też wspomnieć o ich potencjale w zakresie wykrywania patogenów. W tego rodzaju czujnikach rodniki zapobiegałyby odkształceniu białek stosowanych do detekcji szkodliwych bakterii czy wirusów. Powłoka zostanie też zapewne wdrożona w mikromacierzach ułatwiających leczenie wczesnych etapów chorób. Bilek tłumaczy, że jako część powłoki wolne rodniki pozostają związane i nie mogą poczynić szkód w DNA komórek. Obecnie trwają prace nad białkami do tworzonych powłok, które "zachęcałyby" tkanki do integrowania ze sztucznymi powierzchniami.

Naukowcy z Children's Hospital of Philadelphia wykorzystali pola magnetyczne, aby dostarczyć zawierające żelazo nanocząsteczki do metalowych stentów w uszkodzonych naczyniach krwionośnych. Cząsteczki zawierały lekarstwa zapobiegające blokowaniu naczyń krwionośnych. Badania na zwierzętach wykazały, że metoda taka jest bardziej skuteczna niż standardowo wykorzystywane terapie. Robert J. Levy, główny autor badań, stwierdził, że nowa metoda może stać się główną techniką dostarczania leków i innych materiałów do określonych miejsc w organizmie. Ma ona bowiem tę zaletę, w porównaniu z tradycyjnymi sposobami, że pozwala na dostarczenie wyższych dawek leku, wielokrotne ich transportowanie oraz umożliwia przesłanie różnych leków i innych substancji do jednego stentu. Laboratorium Levy'ego wyprodukowało nanocząsteczki o średnicy 290 nanometrów. Były one zbudowane z biodegradowalnego polimeru pokrytego magnetytem. Najpierw w arteriach szczurów umieszczono stalowe stenty, a następnie dostarczono do nich nanocząsteczki z lekiem o nazwie paklitaksel. Następnie zwierzęta poddano działaniu pola magnetycznego przez pięć minut. Było ono 10-krotnie słabsze niż pole generowane przez urządzenia do rezonansu magnetycznego. Dzięki niemu nanocząsteczki przedostały się wgłąb stentu i do okolicznych tkanek. Grupie kontrolnej dostarczono nanocząsteczki w sposób tradycyjny. Po pięciu dniach zbadano obie grupy zwierząt i okazało się, że grupa, na której użyto pola magnetycznego, miała w okolicznych tkankach od 4 do 10 razy więcej nanocząsteczek. Ponadto po 14 dniach od podania pojedynczej dawki paklitakselu w nanocząsteczkach, u zwierząt poddawanych działaniu pola magnetycznego zauważono znacząco mniej przypadków ponownego zwężenia arterii.

Badacze z Tohoku University opracowali superelastyczny stop żelaza, którego wytrzymałość na rozciąganie przekracza granicę 1 gigapaskala. Może on być wykorzystywany podczas skomplikowanych operacji serca i mózgu oraz w konstrukcjach budowanych na obszarach występowania trzęsień ziemi. Japończycy twierdzą, że po rozciągnięciu materiał – żelazo polikrystaliczne - powraca do pierwotnego kształtu, a jego nadzwyczajna elastyczność decyduje o kilku innych właściwościach, w tym o kowalności i zmiennej magnetyzacji. Maksymalny poziom naprężenia nowego stopu, po którego przekroczeniu następuje przerwanie, jest dwukrotnie wyższy niż w przypadku nitinolu (NiTi, stopu z pamięcią kształtu; 49% niklu i 51% tytanu). Wg naukowców z Kraju Kwitnącej Wiśni, nadaje się on do wykorzystania w postaci stentów – rurek podtrzymujących naczynia i zapobiegających ich zapadaniu się. Ponieważ stop żelaza charakteryzuje się wysokim naprężeniem maksymalnym (dużą wytrzymałością), można z niego "wyciągać" bardzo cienkie przewody, które sięgają położonych w głębi ciała rejonów, np. mózgu, gdzie mają się znaleźć stenty. Średnica nitinolowych sprężynek stosowanych obecnie przy angioplastyce wieńcowej jest natomiast zbyt duża, żeby przeprowadzić podobny zabieg na mózgu – wyjaśnia jeden z członków japońskiego zespołu badawczego T. Omori. W komentarzu do artykułu zespołu z Tohoku University opublikowanego na łamach Science profesor Ibrahim Karaman z Texas A&M University i jego doktorant Ji Ma napisali, że po ogrzaniu nowy stop wykazuje właściwości bezdyfuzyjnej przemiany fazowej. Atomy kryształów w uporządkowany sposób przeorganizowują swoje upakowanie, co leży u podłoża makroskopowej zmiany kształtu obiektu. Po zaimplantowaniu stent z żelaza polikrystalicznego rozszerza się pod wpływem ciepła ciała i osiąga pożądaną formę.

Nowa metoda leczenia niedrożności moczowodów została zaprezentowana przez brytyjskich lekarzy. Zastosowane przez nich stenty, czyli niewielkie rurki utrzymujące drożność przewodów, pozwalają na trwałe usunięcie problemu bez konieczności regularnej wymiany implantu, jak to miało miejsce dotychczas. Pierwszą pacjentką poddaną leczeniu nową metodą jest 63-letnia Norma Fenton. Los kobiety, posiadającej tylko jedną nerkę, był od dłuższego czasu zależny od implantu utrzymującego drożność moczowodu (przewodu odprowadzającego mocz z nerki do pęcherza moczowego). Choć stent starej generacji znacząco poprawił jakość życia kobiety i pozwolił jej na uniknięcie dwukrotnego dializowania w ciągu tygodnia, posiadał on także swoje wady. Najważniejszą z nich była konieczność wymiany co sześć miesięcy. Każdy taki zabieg wymagał wykonania znieczulenia ogólnego i oznaczał trzydniową hospitalizację. Teraz, dzięki zastosowaniu implantu nowej generacji, życie Normy będzie znacznie prostsze. Główną różnicą pomiędzy starym i nowym typem stentów jest materiał, z którego zostały one wykonane. Dotychczas do moczowodów wszczepiano rurki wykonane z tworzyw sztucznych. Skutecznie podtrzymywały one ściany moczowodu, lecz ich regularna wymiana oznaczała wiele kłopotów. Każda kolejna była potencjalnie ryzykowna, jeśli weźmie się pod uwagę wiek pacjentów takich jak Norma oraz wyniszczenie spowodowane chorobą. Tym razem, dzięki lekarzom z londyńskiego szpitala Barts, do organizmu pacjentki wszczepiony został metalowy stent, który powinien funkcjonować aż do końca życia kobiety. Metalowy kanalik, podobnie jak jego starsze odpowiedniki, wprowadza się za pomocą endoskopu zakończonego kamerą pozwalającą na manewrowanie wewnątrz moczowodu. Pomimo stosunkowo wysokiej sztywności, charakterystycznej dla wyrobów metalowych, stent można formować za pomocą ciepła, dzięki czemu możliwe jest jego idealne dostosowanie do naturalnych właściwości ciała pacjentki. Powodzenie zabiegu oznacza koniec z wizytami w sali zabiegowej - zamiast tego wystarcza regularne wykonywanie pakietu badań kontrolnych. Przedstawiciele szpitala Barts oceniają, że są w stanie wykonywać rocznie około 150 zabiegów wszczepiania nowoczesnych implantów. A pacjenci? Życzymy każdemu z nich, by mógł ocenić jakość leczenia tak samo wysoko, jak Norma: to niesamowite, że taki malutki kawałek metalu może oszczędzić mi tak wielu wizyt w szpitalu! Trudno o lepszą rekomendację.

Co się stanie, gdy ze sobą połączymy dwa przewodniki i powleczemy je warstwą leku? Stworzymy w ten sposób miniaturową "baterię", która będzie stopniowo uwalniała swoją leczniczą zawartość. O odkryciu poinformowano podczas konferencji Medical Bionics w australijskim Melbourne. "Inteligentny" implant został zaprojektowany w oparciu o stenty - miniaturowe rurki o ażurowych ściankach, wszczepiane najczęściej do wnętrza naczyń krwionośnych. Ich zadaniem jest podtrzymywanie uszkodzonego naczynia i zapobieganie jego zapadaniu. Niektóre z nich są wykonane ze stopów magnezu, dzięki czemu są stopniowo utleniane i wypłukiwane pod wpływem przepływającej krwi. Zespół z australijskiego Uniwersytetu Wollongong poprowadzony przez Gordona Wallace'a postanowił rozwinąć ten wynalazek i wykorzystać go do nowego celu. Oprócz magnezu wykorzystano w nim przewodzący prąd polimer, który pokryto następnie warstwą leku przeciwzapalnego. Wstępne badania nad urządzeniem przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych. Rolę krwi spełniał płyn zawierający elektrolity, czyli substancje rozpadające się w roztworach wodnych na jony. Pod ich wpływem stent zamieniał się w miniogniwo elektryczne, którego anodę stanowiła magnezowa siatka, zaś rolę katody spełniało tworzywo sztuczne. Wraz z "rozładowywaniem się" ogniwa dochodziło do zmiany ładunków elektrycznych na powierzchni implantu, co pozwalało na stopniowe uwalnianie leku. Intensywność procesu była ściśle zależna od stężenia jonów w roztworze, co pozwala przypuszczać, że implant powinien podobnie reagować na różną szybkość przepływu oraz skład krwi w jego najbliższym otoczeniu. Aby dodatkowo ułatwić regulowanie tempa uwalniania leku zastosowano kolejną warstwę tworzywa sztucznego, tym razem posiadającego zdolność stopniowej biodegradacji. Pomysł Australijczyków, choć prosty, może się okazać bardzo przydatny. Autorzy oceniają, że może on posłużyć np. do wzbogacania stosowanych obecnie implantów, takich jak np. protezy stawów. Choć są one wykonywane ze stosunkowo pasywnego chemicznie tytanu, one także mogłyby, zdaniem Wallace'a, posłużyć jako matryca przechowująca zapas leku. Niestety, na razie nie wiadomo, czy i kiedy technologia ta zostanie dopuszczona do zastosowania w medycynie.