Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Stopy z pamięcią kształtu, badane przez pracowników Instytutu Nauki o Materiałach, są unikatową klasą stopów metali, które w odpowiedniej temperaturze mogą zmieniać kształt. Efekt pamięci kształtu, spowodowany zachodzącą w materiale przemianą, polega na tym, że materiał odkształcony w niskiej temperaturze, po podgrzaniu wraca do pierwotnego kształtu. Można też spowodować, że materiał ten będzie „pamiętał” zarówno kształt z wysokiej, jak i z niskiej temperatury. Kierownikiem badań prowadzonych nad nową generacją materiałów, wykazujących niekonwencjonalne właściwości, jest dr hab. prof. UŚ Danuta Stróż, dziekan Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach.

Celem projektu jest zaproponowanie konkretnych zastosowań w medycynie stopów z pamięcią kształtu, wykonanie prototypów i przygotowanie produkcji na skalę przemysłową. Projekt realizowany jest przez konsorcjum, w skład którego wchodzą: Uniwersytet Śląski (w roli lidera), Politechnika Warszawska, BHH Mikrohuta sp. z o.o., BHH Mikromed sp. z o.o.

Dlaczego nikiel i tytan? Ponieważ właśnie te stopy posiadają niezbędne cechy, takie jak pamięć kształtu i biokompatybilność, czyli są one obojętne dla organizmu ludzkiego i mogą być wykorzystane jako biomateriały w postaci, na przykład, implantów. Ponad 90 proc. zastosowań tych stopów to zastosowanie w medycynie, w tym także w ortodoncji. Implanty stały się wybawieniem dla uszkodzonych kości, zębów, korekcji zniekształceń czaszki u dzieci, zespoleń złamanych drobnych kości i wielu innych. Zastosowanie odpowiednich proporcji poszczególnych składników stopu pozwala na odzyskanie kształtu w temperaturze ciała pacjenta. Z tego też powodu znalazły rozległe zastosowanie jako płytki i klamry zespoleń złamanych kości, schorzeń kręgosłupa (leczenie skoliozy), wykorzystywane są także w chirurgii twarzowo-szczękowej oraz kardiochirurgii (stenty).

Popularnie stosowane implanty stalowe, ogólnodostępne, między innymi, ze względu na niski koszt produkcji, nie wytrzymują konkurencji ze stopami NiTi z pamięcią kształtu. Stosując implanty ze stopu NiTi, poprzez wykorzystanie ich unikalnych efektów pamięci kształtu, podnosi się bezpieczeństwo zabiegu, skraca jego przebieg i czas rehabilitacji, znaczne ułatwiona jest także praca chirurgów, a komfort pacjenta nieporównywalnie wyższy. Produkcja tych materiałów w kraju przyniosłaby także konkretne oszczędności finansowe. Obecnie możemy jedynie bazować na sprowadzanych z zagranicy bardzo drogich implantach (nierefundowanych przez NFZ), lub nieco tańszych, ale niegwarantujących najwyższej jakości. W obu przypadkach źródłem zakupów jest rynek zachodni, ponieważ w Polsce nie produkuje się stopów z pamięcią kształtu, mimo że zastosowanie np. stentów z pamięcią kształtu nie tylko ułatwia interwencję chirurgiczną, ale przede wszystkim obniża inwazyjność zabiegu, czyniąc go o wiele bezpieczniejszym. Tymczasem, jak twierdzą naukowcy z Instytutu Nauki o Materiałach, uruchomienie produkcji prostszych wyrobów ze stopów NiTi leży w granicach technologicznych możliwości krajowych. I właśnie ten projekt ma na celu wprowadzenie na polski rynek stopów na bazie NiTi oraz przygotowanie ich wdrożenia.

Poza badaniami nad składem chemicznym, postępują prace nad doprecyzowaniem odpowiednich warunków wytopu, w szczelnej atmosferze ochronnej, aby nie doprowadzić do wybuchu, ponieważ tytan jest materiałem bardzo aktywnym, który silnie reaguje z tlenem.

Nowatorską częścią projektu jest modyfikacja powierzchni tych materiałów. Nikiel jest metalem alergogennym, wielu naukowców uważa nawet, że posiada on właściwości kancerogenne. Wprawdzie stop NiTi jest materiałem samopasywującym się, czyli wytwarzającym samoistnie warstewkę tlenku tytanu, która izoluje wyjście niklu poza implant i uniemożliwia tym samym jego przedostanie się do tkanek, obawa jednak pozostaje. Dlatego współczesna medycyna preferuje wytwarzanie różnych warstw powierzchniowych, czyli modyfikowanie powierzchni biomateriałów metalicznych, aby nie było bezpośredniego kontaktu metalu ze środowiskiem tkankowym. Innowacyjność w tym przypadku polega na przeprowadzaniu prób nanoszenia warstw azotkowych i tlenkowo-azotkowych. Tę część badań realizują naukowcy z Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Tadeusza Wierzchonia z Wydziału Inżynierii Materiałowej. Wyniki, które już uzyskano, wskazują na zdecydowane podwyższenie odporności na korozję, która bezpośrednio przekłada się na biotolerancję. Jest to szczególnie ważne w przypadku implantów długoterminowych. 

Po zakończeniu badań laboratoryjnych projekt wkroczy w drugą fazę, którą będą realizować (nadal pod czujnym okiem lidera) partnerzy z BHH Mikrohuty i BHH Mikromedu. Ich zadaniem będzie wyrób implantów, badanie rynku, opracowanie kart wdrożenia wyrobów, przeprowadzenie badań klinicznych, uzyskanie certyfikatów, rejestracja i wprowadzenie na rynek. Zakończenie projektu przewidziane jest w maju 2015 roku.