FRC-implantteja kallokirurgian tarpeisiin

Väitöskirja tarkastettiin 25.10.2013 Turun yliopistossa

Development of porous glass-fiber reinforced composite for bone implants. Evaluation of antimicrobial effect and implant fixation

Vastaväittäjä: Serena Best, professori, University of Cambridge, Iso-Britannia

Kustos: Pekka Vallittu, professori, Turun yliopisto

Esitarkastajat: Gudmund Skjåk-Braek, professori, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norja, Timo Jämsä, professori, Oulun yliopisto

Ohjaajat: Pekka Vallittu, professori, Turun yliopisto, Niko Moritz, dosentti, Turun yliopisto

Kasvaimien, tulehdusten tai kallonavausleikkausten seurauksena syntyvät luupuutokset ovat yksi suurimmista haasteista kallokirurgiassa. Perinteiset, keinotekoiset implantit koostuvat titaanista tai erilaisista muoveista ja keraameista. Uusimpia implanttimateriaaleja ovat biostabiilit, lasikuiduilla vahvistetut yhdistelmämateriaalit (FRC:t), jotka sisältävät kertamuovista akryylaatti-muovimatriksia. FRC:t kehitettiin alun perin hammaslääketieteellisiä sovelluksia varten, mutta nyttemmin nämä materiaalit on hyväksytty kokeelliseen kliiniseen käyttöön myös kallokirurgiassa. Tähän mennessä suuria luupuutoksien rekonstruktioita on tehty jo noin 35 potilaalle.

Tässä väitöstutkimuksessa kehitettiin uudenlainen, FRC-teknologiaan pohjautuva implanttimateriaali kallokirurgiaa varten. Tämä monikomponentti-implantti koostuu kolmesta pääosasta: (i) huokoisesta FRC-rakenteesta, (ii) bioaktiivisista lasirakeista FRC-kerrosten välissä sekä (iii) hopea-polysakkaridinanopinnoitteesta. Huokoinen FRC-rakenne edesauttaa luun kasvua implantin sisällä, ja bioaktiivinen lasi stimuloi uuden luun muodostumista. Polysakkaridipinnoite taas estää bakteerien tarttumista ja niiden kasvua implantin pinnalla.

Tutkimuksessa kehitetyt FRC-implantit rakentuvat satunnaisesti orientoituneiden katkokuitujen huokoisesta verkostosta, joka pysyy koossa biostabiilin, valokovetetun kertamuoviakryylin avulla. Kokonaishuokoisuus näissä rakenteissa on 10–70 tilavuusprosenttia, josta 90 % on avohuokosia. Huokosten koot (> 100 µm) ovat biologisesti merkittävissä rajoissa (50–400 µm), mikä mahdollistaa verisuonien ja luun kasvun implantin sisään. Väitöskirjatyössä luun sisäänkasvu simuloitiin laboratorio-olosuhteissa kipsin avulla. Implantin ja kipsin välisen liitoksen vahvuutta tutkittiin kuormittamalla liitosta mekaanisesti. Tulokset osoittivat, että mitä huokoisempia implantit ovat, sitä suurempia ovat liitoksen leikkauslujuus ja sitkeys.

Bioaktiivisen lasin vaikutus luuhun perustuu lasin liukenemiseen fysiologisissa olosuhteissa. Kalsium- ja fosfaatti-ionit vapautuvat lasista ja saostuvat lasin sekä lähiympäristön rakenteiden pinnalle muodostaen samankaltaista apatiittimineraalia kuin luussa on. Tässä työssä bioaktiivisen lasin liukenemisesta seuraavaa FRC-implantin pinnan biomineralisaatiota tutkittiin simuloidussa kudosnesteessä (SBF) sekä staattisissa että dynaamisissa olosuhteissa.

Nanokokoisia hopeapartikkeleita sisältävä, bioyhteensopiva, antimikrobinen polysakkaridipinnoite saatiin aikaan erikoiskäsittelemällä FRC-pinta sähköstaattiseksi. Pinnoite on valmistettu laktoosimodifioidusta kitosaanista. Laboratorio-olosuhteissa tämä pinnoite pysyi ehjänä seitsemän vuorokautta lysotsyymille ja yhden vuorokauden vetyperoksidille (H₂O₂) altistettuna. Antimikrobinen teho testattiin Staphylococcus aureuksella ja Pseudomonas aeruginosalla. Tutkimuksessa pinnoitteella todettiin olevan hyvä lyhytaikainen antimikrobinen vaikutus. Mikro-organismit eivät tarttuneet implantin pintaan eivätkä muodostaneet biofilmiä 24 tunnin tai 72 tunnin inkubaation jälkeen. Implanttien pinnoitteista vapautuneet hopeaionit vähensivät bakteerien kasvua kasvatusliuoksessa.

Verkkojulkaisun osoite: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-5515-2