Uudenlainen keinoluu laajoihin luuvaurioihin

Tutkimuksen taustaa

Luuvaurion korjaamiseen on käytetty perinteisesti ns. pankkiluuta eli kudossiirrettä toisesta ihmisestä tai kudossiirrettä potilaan omasta elimistöstä. Nämä kuitenkin saattavat aiheuttaa hylkimisreaktioita elimistössä tai lisääntyneen sairauksien tartuntariskin. Vaihtoehtona kudossiirteelle on synteettisen biomateriaalin käyttäminen. Biomateriaalit määritellään materiaaleiksi, joita käytetään kontaktissa kudokseen, vereen tai kudosnesteisiin, proteettiseen, diagnostiseen tai terapeuttiseen tarkoitukseen siten, että se ei haittaa elävän organismin toimintaa. Synteettiset biomateriaalit yleensä ovat metalleja, keraamisia aineita, muoveja, tai komposiitteja eli yhdistelmämateriaaleja.

Akryylimuoveja käytetään kovakudosvaurioiden korjaamiseen sekä hammaslääketieteessä esim. paikka-aineina ja irroitettavien proteesien pohjalevyissä että lääketieteessä esim. luusementteinä kiinnittämään tekonivelproteesi luuhun. Laajojen luuvaurioiden tai kantavien luiden korjaamiseen akryylimuovit sellaisenaan eivät sovellu, sillä niiden mekaaninen lujuus tai luuhun kiinnittyminen eivät ole riittävät. Lisäksi ongelmia voivat aiheuttaa tulehduksellisten solujen keräytyminen ja luun vaurioituminen implantin ympäriltä, jotka johtuvat hiukkasten irtoamisesta implantista.

Kirurgisissa toimenpiteissä biomateriaaleista yleisimmin käytössä on titaanista tai titaaniseoksista valmistetut implantit, joiden yksilöllinen muotoilu leikkaustilanteessa on vaikeaa. Ongelmia muodostuu myös metallin ja luun erilaisten biomekaanisten ominaisuuksien aiheuttamista jännitystiloista ja niistä johtuvista implantin irtoamisista. Titaani-implantti on käytännöllisesti katsoen joustamatonta, kun taas luu joustaa fysiologisessa kuormituksessa. Jotta biomateriaalista tehty implantti voisi toimia luun kaltaisena materiaalina esimerkiksi kantavissa putkiluissa tai muissa laajoissa luukorjauksissa, sen joustavuus (kimmomoduuli) tulisi olla samankaltainen luun kanssa.

Akryylimuovit ja metallit ovat rakenteeltaan tiiviitä ja kiinnittyvät sen vuoksi vain pintakerroksen karheuden avulla luuhun. Huokoisen materiaalin avulla saadaan luu kiinnittymään implanttiin ns. biologisen gradienttikiinnittymisen avulla. Huokoisuuden avulla: 1) implantin aktiivinen sidospinta-ala kasvaa, 2) luu pääsee kasvamaan huokosten sisään ankkuroiden implantin kiinni luuhun, ja 3) implantin sisään pääsee muodostumaan verisuonistoa mahdollistamaan uudisluun muodostumista. Sopiva huokoskoko on noin 100-400 µm.

Muoveja, keraameja ja metalleja korvaavana materiaalina voidaan käyttää lujitemuoveja, joista kuitulujitteisilla muoveilla on saatavissa suurimmat mekaaniset lujuusarvot. Laskikuitulujitteisen muovin käytöstä biomateriaalina on eniten tutkimustietoa. Lasikuitulujituksen avulla muovin lujuutta ja joustavuutta voidaan räätälöidä halutulle tasolle.

Tutkimuksen tavoite

Väitöskirjatyössä on selvitetty uudentyyppisen luuta korvaavan lasikuitulujitteisen muovin ominaisuuksia käytettäväksi luiden korjauksessa. Tutkimuksen kohteena olivat keinoluun rakenne ja lujuusominaisuudet. Tavoitteena oli valmistaa huokoinen kuitulujitteinen dimetakrylaattipohjainen muovimatriisi, jonka mekaaniset ominaisuudet vastaavat luun mekaanisia ominaisuuksia ja joka sallii luun kasvun materiaalin sisään. Tavoitteena oli lisäksi selvittää materiaalista mahdollisesti vapautuvien jäännösaineiden määrä.

Menetelmät ja tulokset

Komposiitin polymeerimatriksina käytettiin hammaslääketieteessä yleisesti käytössä olevaa valopolymeroituvaa dimetakrylaattia, joka oli lujitettu hajoamattomilla lasikuiduilla. Huokoisuus saatiin materiaaliin päällystämällä lasikuidut työryhmässämme valmistetulla hydroksiproliinioligomeerilla/-polymeerilla, joka liukeni kuidun ympäriltä kosteissa olosuhteissa sallien kalsiumfosfaattimineraalin muodostumisen materiaalin pintaan ja onkaloihin simuloidussa kudosnesteessä (SBF). Tällä ns. biomimeettisellä ilmiöllä aikaansaatu kalsiumfosfaattipinta on osteokonduktiivinen (luun kasvua ohjaava), joka mahdollistaa luun kasvamisen pintaa pitkin. Kalsiumfosfaatin muodostumista kappaleeseen seurattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja röntgenmikroanalyysilla (EDXA). Lisäksi valmistettiin bioaktiivista lasikuitumateriaalia korvaamaan osa hajoamattomista lasikuiduista. Bioaktiivinen piipohjainen materiaali edistää uudisluun muodostumista ja hajoaa pois korvautuen uudella luulla paranemisprosessin edetessä. Komposiitin mekaaninen lujuus määritettiin kolmen pisteen taivutustestin avulla hammasmateriaaleille soveltuvan ISO-standardin mukaisesti. Kolmen pisteen taivutustestissä arvioitiin materiaalin lujuus ja jäykkyys taivutuslujuuden ja taivutusmoduulin avulla. Kuidun ympärillä olevan erikoispolymeerin todettiin lisäävän komposiitin lujuutta ja jäykkyys oli samankaltainen luun jäykkyyden kanssa. Erikoispolymeerin toksisuustesteissä ihmisen sidekudossolujen kanssa todettiin polymeerin myrkyttömyys. Lääketieteellisen käytön kannalta on myös tärkeää, että komposiitin polymeerimatriksi on riittävästi polymerisoitunut eikä jäännösaineita jää komposiitin sisään. Sen vuoksi komposiitin jäännösainepitoisuus määritettiin uuttomenetelmää käyttäen korkea erotuskyvyn nestekromatografin (HPLC) avulla. Lisäksi mitattiin polymeerimatriisin polymerisaation edistymisaste infrapunaspektroskopian (FTIR) avulla. Tutkimuksissa havaittiin, ettei komposiittiin jää haitallisia määriä jäännösaineita.

Johtopäätökset

Tutkimuksessa onnistuttiin valmistamaan kuitukomposiittipohjainen keinoluu, jonka sisään muodostui onkaloita simuloidussa kudosympäristössä aikaisemmin kehitetyn hydroksiproliinioligomeerin/-polymeerin avulla. Näihin onkaloihin luu pääsee kiinnittymään ja muodostamaan uudisluuta, jolloin implantti pysyy jatkotöiden hypoteesin mukaan tukevasti kiinni luussa. Keinoluun mekaaninen lujuus ja joustavuus saatiin vastaamaan luun ominaisuuksia. Keinoluuta voidaan muovailla leikkaustilanteessa ja kovettaa se halutun muotoiseksi tarpeen mukaan. Lääketieteellisten materiaalien kliinisen käytön aloittaminen edellyttää tutkimuksia materiaalin myrkyttömyydestä. Tutkimuksessa havaittiin, että yhdistelmämateriaalista ei vapaudu haitallisia määriä allergisoivia tai ärsyttäviä ainesosia. Materiaalista on meneillään prekliinisiä koesarjoja, joiden tuloksien perusteella siirrytään ensimmäisiin kliinisiin testauksiin.

Partially biodegradable fibre-reinforced composite. In vitro studies on material combinations for bone substitute applications

Biocompatibility is a crucial property for the development of implants. Implants should be non-toxic, should not provoke inflammatory or allergic reactions and should not cause cancer. In addition, certain mechanical properties are required for an implant used in endosseous applications.

The aim of this series of studies was to evaluate the biocompatibility of the new experimental polymer sizing of fibres in fibre-reinforced composite (FRC) to be used in bone substitute applications. Also mechanical properties of the formed FRC were investigated. The polymer matrix consisted of Bis-GMA/TEGDMA resin with unidirectional glass-fibre reinforcement. Biodegradable oligomer/polymer of hydroxyproline sizing of the fibres was used to enhance attachment of tissue to the composite and enable mineral and bone formation inside the composite.

In vitro tests with fibroblast cells revealed no cytotoxic effect on experimental oligomer/polymer of hydroxyproline. Cells attached to the surface of the oligomer/polymer of hydroxyproline coated E-glass fibre weaves and proliferated as well as without coating. FRC with sizing was successfully mineralized with the aid of bioactive glass. Oligomer/polymer of hydroxyproline sizing dissolved out and mineral formed in the open canals as well as on the surface of the composites. The residual monomer content of FRC with sizing was slightly higher than from FRC without sizing. The degree of monomer conversion was at the same level as found in other studies. Flexural strength and modulus increased with sizing. To make the composite more osteoproductive, oligomer/polymer of hydroxyproline combined with biodegradable silica xerogel replacing part of the reinforcing inert glass fibre was investigated. Oligomer/polymer of hydroxyproline is rapidly released from the silica xerogel, and the concentration levels of dissolving Si are within the levels that are potentially bioactive in bone.

These in vitro studies of partially biodegradable oligomer/polymer of hydroxyproline sized glass-fibre reinforced composite show that it could possibly be used in orthopaedic and maxillofacial surgical applications after being verified in vivo.

Osajulkaisut:

I Väkiparta M, Yli-Urpo A and Vallittu P. Flexural properties of glass fiber reinforced composite with multiphase biopolymer matrix. J Mater Sci Mater Med 2004; 15(1): 7-11.

II Väkiparta M, Koskinen M, Vallittu P, Närhi T and Yli-Urpo A. In vitro cytotoxicity of E-glass fiber weave preimpregnated with novel biopolymers. J Mater Sci Mater Med 2004; 15(1): 69-72.

III Väkiparta M, Forsback A-P, Lassila L, Jokinen M, Yli-Urpo A and Vallittu PK. Biomimetic mineralization of partially bioresorbable glass fiber reinforced composite. J Mater Sci Mater Med 2005; 16(9): 873-879.

IV Väkiparta M, Puska M and Vallittu PK. Residual monomers and conversion of partially bioresorbable fiber-reinforced composite. Acta Biomater 2006; 2: 29-37.

V Väkiparta M, Jokinen M, Vaahtio M, Vallittu P and Yli-Urpo A. The degradation and bioactivity of composites of silica xerogel and novel biopolymer of hydroxyproline. Key Eng Mater 2004; 254-256: 553-556.