W leczeniu skoliozy wczesnodziecięcej kręgosłup trzeba ustabilizować i korygować jego skrzywienie, ale zarazem umożliwić mu dalszy wzrost. Służą do tego m.in. specjalne systemy, w których wraz ze wzrostem dziecka elementy implantu mogą przesuwać się względem siebie.

Takie ruchome połączenia pracują przez długi czas pod zmiennym obciążeniem. Dochodzi w nich do tribokorozji, czyli jednoczesnego ścierania powierzchni oraz zaburzenia ochronnej warstwy materiału, co może prowadzić do uwalniania produktów zużycia i reakcji tkanek otaczających implant.

Zespół prof. Celiny Pezowicz z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej sprawdził, czy skutki tych procesów można ograniczyć za pomocą nanokompozytowych powłok z węgla podobnego do diamentu (diamond-like carbon, DLC). Są one twarde, odporne na ścieranie, stabilne chemicznie i mają niski współczynnik tarcia.

„Praca przesuwnych elementów implantu powoduje powstawanie drobnych produktów zużycia, czyli mikroskopijnych cząstek metalu i ich jonów. Wnikają one do tkanek otaczających implant, powodując tzw. metalozę, odczyny zapalne, dolegliwości bólowe, a w skrajnych przypadkach osteolizę i poluzowanie lub odrzucenie implantu” - mówi prof. Celina Pezowicz, cytowana przez Politechnikę Wrocławską.

Powikłania lub uszkodzenie systemu mogą oznaczać konieczność wcześniejszej operacji rewizyjnej. Dla dziecka to kolejny zabieg, ryzyko infekcji, rekonwalescencja i dodatkowy stres. 

„Nasz zespół bada rozwiązania mogące ograniczać mechaniczne zużycie i korozję implantów; szczególnie obiecujące są powłoki DLC, czyli diamentopodobne, ich modyfikacje, a także powłoki ceramiczne. Zależy nam na dokładnym poznaniu potencjału różnych materiałów ochronnych, aby w przyszłości wskazać te niezawodne dla chirurgii kręgosłupa” – zaznacza prof. Pezowicz. 

Badania implantów stosowanych w systemach kierowanego wzrostu kręgosłupa miały charakter doświadczalny i przeprowadzono je w warunkach laboratoryjnych. Testy pozwoliły na symulację rzeczywistych obciążeń mechanicznych oraz ruchów mikroprzesunięć, jakie zachodzą na styku śruby i pręta w kręgosłupie rosnącego dziecka.

Głównym wyzwaniem dla badaczy było wierne odtworzenie skomplikowanych warunków eksploatacji implantu w środowisku laboratoryjnym. Wymagało to starannego zaprojektowania układu pomiarowego i dobrania właściwych parametrów testów, bo w ciele pacjenta połączenie śruby i pręta podlega stale zmieniającym się obciążeniom biologicznym i mechanicznym.

Wyniki opublikowane przez zespół Politechniki Wrocławskiej w czasopiśmie „Wear” pokazały, że elementy z powłoką DLC zużywały się mniej, miały niższy współczynnik tarcia oraz większą odporność mechaniczną niż elementy ze standardową warstwą pasywną. 

„Wykazywały nawet kilkukrotnie mniejszy ubytek masy. Oznacza to, że podczas pracy połączenia śruby i pręta powstaje znacznie mniej niepożądanych cząstek zużycia” – tłumaczy prof. Celina Pezowicz.

Inną zaletę ujawniła symulacja środowiska kwaśnego, jakie pojawia się przy stanach zapalnych w organizmie. W takim otoczeniu niepowlekane elementy ulegają silnemu zużyciu i wykazują wysoki współczynnik tarcia. Powłoka DLC zredukowała ten negatywny wpływ, utrzymując tarcie na poziomie stabilnym, zbliżonym do warunków fizjologicznych.

Kolejne etapy mają pozwolić ocenić, czy takie rozwiązanie może sprawdzić się w implantach stosowanych u pacjentów.