Czym wypełnić brakujący fragment kości? Grupa naukowców z Wydziału Chemicznego PWr pracuje nad materiałem najbardziej zbliżonym do naturalnego, bioaktywnym, działającym przeciwzapalnie i stymulującym pracę komórek.

– W świecie nauki biomateriały to temat bardzo popularny, nad którym pracuje wiele zespołów. Chodzi o to, żeby opracować taką technologię, która pozwoli na stworzenie materiału kompozytowego o strukturze i właściwościach najbardziej zbliżonych do kości człowieka – mówi dr hab. inż. Konrad Szustakiewicz, prof. uczelni z Katedry Inżynierii i Technologii Polimerów na Wydziale Chemicznym. Jest on liderem zespołu realizującego projekt na Politechnice Wrocławskiej w ramach programu TEAM-NET Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Naukowcy z czterech ośrodków naukowo-badawczych – Uniwersytetu Łódzkiego, Politechniki Krakowskiej, Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych – Sieć Badawcza Łukasiewicz w Warszawie i naszej uczelni – stworzyli konsorcjum, żeby wspólnie opracować wielofunkcyjne kompozyty aktywne biologicznie do zastosowań w medycynie regeneracyjnej układu kostnego. Kierownikiem projektu, reprezentującym całe konsorcjum jest prof. dr hab. inż. Andrzej Trochimczuk z PWr.

Zespół ma zaprojektować materiał, który ma „zachowywać się” jak kość, mający zbliżone właściwości biologiczne i przeciwzapalne, a do tego będzie elastyczny i wstrzymały. Tak, aby stanowić doskonałe uzupełnienie ubytków kości np. po urazach czy w wyniku osteoporozy.

Nasi naukowcy mają już doświadczenie z bioimplantami.Tym razem postanowili podejść do zagadnienia z nieco innej strony – wykorzystując efekt mechanotransdukcji.

Co to jest efekt mechanotransdukcji?

– To efekt jeszcze stosunkowo mało zbadany. Od dawna wiadomo, że obciążenie mechaniczne wpływa na strukturę i masę kości. Jeżeli kość stale obciążamy, to jest ona naturalnie sztywniejsza, bardziej wytrzymała. Efekt mechanotransdukcji polega na tym, że cykliczne obciążenie mechaniczne ma stymulować regenerację kości – wyjaśnia dr inż. Małgorzata Gazińska z Katedry Inżynierii i Technologii Polimerów. 

Tłumaczy, jak można zbadać ten proces w przypadku biokompozytów: – Wytwarza się materiał z polimeru elastomerowego i na nim osadza się komórki np. macierzyste. Następnie poddaje się materiał obciążeniom cyklicznym np. ściskaniu lub rozciąganiu. Potem sprawdza się, jak to wpływa na komórki – na ich adhezję, proliferację, różnicowanie czy na ekspresję genów. Stosuje się też przy tym różne markery. Okazało się, że obciążenie mechaniczne elastomeru wzmaga różnicowanie komórek w kierunku tworzenia komórek kościotwórczych i nam właśnie na tym zależy – mówi dr Małgorzata Gazińska, która jest autorką takiej koncepcji materiału implantacyjnego.

Wiele dróg, jeden cel

W laboratoriach Politechniki Wrocławskiej powstaje odpowiedni polimer, a z niego kompozyt, który ma być wielofunkcyjny i bioaktywny. – Czynnikiem aktywnym biologiczne jest L-lizyna, czyli aminokwas egzogenny. Zwiększa on adhezję komórek, proliferację, a długofalowy efekt to zwiększenie mineralnej gęstości kości, czyli zmniejszenie zachorowalności na osteoporozę – wyjaśnia prof. Konrad Szustakiewicz. Dodaje, że wytwarzany kompozyt może mieć różne formy.

– Nam udało się wytworzyć strukturę porowatą, czyli coś w rodzaju gąbki. Dzięki temu można osadzić w nim komórki, które wnikną w ten materiał do środka, a nie osadzą się wyłącznie na powierzchni – tłumaczy badacz z PWr. 

W ramach współpracy wszystkich zespołów badawczych opracowane zostaną implanty porowate do regeneracji tkanek kostnych oraz implanty stabilizujące kości, które zostaną pokryte innowacyjnymi materiałami powłokowymi wydzielające bioaktywne czynniki wzrostu oraz komponenty o właściwościach przeciwzapalnych.

– Każdy z partnerów bada zagadnienie pod innym kątem, ale wzajemnie się uzupełniajmy i korzystamy z naszych doświadczeń – wyjaśnia prof. Konrad Szustakiewicz.

Na Politechnice Krakowskiej grupa prof. Agnieszki Sobczak-Kupiec pracuje nad innowacyjnym materiałem powłokowym, zawierającym różne związki aktywne, jak np. odpowiedni antybiotyk, stosowany, aby wykluczyć wystąpienie zakażenia po wszczepie. Biolodzy z Uniwersytetu Łódzkiego pod kierownictwem dr Karoliny Rudnickiej i dra Przemysława Płocińskiego badają materiały na komórkach, a także na modelach zwierzęcych. Zespół dra Artura Oziębły i dr Moniki Biernat z Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych zajmuje się między innymi wytwarzaniem włókien z fosforanów wapnia o wysokiej czystości i kontrolowanej morfologii. Dr Mirosław Kasprzak, lider tej grupy, optymalizuje nową metodę wytwarzania biowłókien, tak aby wyeliminować zanieczyszczenia, co jest bardzo ważne w dalszym medycznym zastosowaniu.

Szansa dla młodych

Projekt jest przedsięwzięciem naukowym, a jego efektem ma być gotowe rozwiązanie, które może zainteresować przemysł biomedyczny. Naukowcy na bieżąco konsultują swoje działania z przedstawicielami różnych środowisk, żeby zyskać potwierdzenie słuszności obranego kierunku badań.

– Cieszymy się, że już powstały dwie publikacje naukowe. Wiemy, że nasze działania mają ogromny potencjał. A co ważne, tworzymy interdyscyplinarny zespół, który daje szasnę na rozwój młodym naukowcom – mówi prof. Konrad Szustakiewicz. W ramach projektu powstaną prace doktorskie, a studenci mogą uczestniczyć w konferencjach, spotkaniach i stażach. Otrzymują też dodatkowe stypendium i ogromne wsparcie merytoryczne.

– Trochę im zazdrościmy, że my nie mieliśmy takich warunków, gdy pisaliśmy nasze doktoraty – śmieją się liderzy projektu z PWr. –  Z powodu pandemii część aktywności siłą rzeczy odbywa się zdalnie, ale trzeba przyznać, że wszyscy uczestnicy projektu są bardzo zdeterminowani, żeby pracować mimo przeszkód – zapewnia dr Małgorzata Gazińska. 

Zapewnia, że duży komfort pracy możliwy jest dzięki wsparciu ze strony Działu Projektów PWr. – Chodzi o konkretną pomoc w kwestiach formalnych czy finansowych, nieco „trudnych” dla naukowców. Pozwala nam to skupić się na celach naukowych projektu i prowadzeniu badań – podkreśla dr Małgorzata Gazińska. Wszystkie projekty PWr w ramach Programu TEAM – NET Fundacji na rzecz Nauki Polskiej są bowiem zarządzane, wspierane merytorycznie i rozliczane finansowo przez zespół w Sekcji Realizacji Projektów Kluczowych: dr inż. Magdalenę Ćwikowską, Iwonę Grzegorczyk i Paulinę Przybylak.

W Akademickim Radiu Luz o postępach w pracach nad bioaktywnym materiałem, działającym przeciwzapalnie i stymulującym podział komórek oraz jak najbardziej zbliżonym w strukturze do kości człowieka

****
Projekt „Wielofunkcyjne kompozyty aktywne biologicznie do zastosowań w medycynie regeneracyjnej układu kostnego" (OsteoReg-NET) rozpoczął się pół roku temu, a ma się zakończyć w 2023 roku. Uczestniczy w nim 40 osób z czterech polskich ośrodków naukowych. Na Politechnice Wrocławskiej jest realizowany w Katedrze Inżynierii i Technologii Polimerów na Wydziale Chemicznym. Funkcję doradczą pełni Komitet Naukowo-Gospodarczy, w którym zasiadają przedstawiciele świata nauki i biznesu.

Więcej szczegółów na stronie internetowej projektu. 

Program finansowany w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020; Priorytet IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego; działanie 4.4. Zwiększenie potencjału kadrowego sektora B+R.

Iwona Szajner