Implanty stosowane u dzieci ze skoliozą mają korygować skrzywienie i jednocześnie pozwalać kręgosłupowi rosnąć. Badacze z Wydziału Mechanicznego PWr sprawdzili, czy powłoki diamentopodobne mogą ograniczyć zużycie implantów i związane z nim ryzyko powikłań. 

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 pasywnej materiału, co może prowadzić do uwalniania produktów zużycia i reakcji tkanek otaczających implant.

Zespół prof. Celiny Pezowicz z Wydziału Mechanicznego (W10) 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.

Uniknąć bólu i wielu operacji

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

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 – wymienia prof. Pezowicz. – Zależy nam na dokładnym poznaniu potencjału różnych materiałów ochronnych, aby w przyszłości wskazać te najbardziej niezawodne dla chirurgii kręgosłupa.

Jak odtworzyć środowisko organizmu?

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

– Głównym wyzwaniem było dla nas wierne odtworzenie skomplikowanych warunków eksploatacji implantu w środowisku laboratoryjnym – komentuje dr inż. Klaudia Szkoda-Poliszuk z W10.

Wymagało to od naukowców 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.

– Testy tribokorozyjne prowadziliśmy w obecności płynu ustrojowego – wyjaśnia dr Szkoda-Poliszuk. – Ocenialiśmy odporność na zużycie ścierne układu pod wpływem długookresowego oddziaływania tarciowego. Choć badania przeprowadzono in vitro, ich parametry dobrano tak, aby możliwie wiernie odzwierciedlały warunki biomechaniczne oraz zjawiska zachodzące w organizmie pacjenta.

Mniejsze zużycie w trudnych warunkach

Wyniki opublikowane przez zespół Politechniki Wrocławskiej w renomowanym 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.

– Uzyskane wyniki wskazują również na poprawę właściwości fizykochemicznych implantu – uzupełnia dr inż. Klaudia Szkoda-Poliszuk. – Zastosowanie DLC zmieniło właściwości powierzchniowe stopu Ti6Al4V, zmniejszając jego swobodną energię powierzchniową, co ogranicza niepożądane oddziaływania z agresywnym środowiskiem biologicznym.

Powłoka z potencjałem

Badania przeprowadzone przez naukowców w Zakładzie Inżynierii Biomedycznej W10 PWr pokazały, że zastosowanie diamentopodobnej powłoki DLC zwiększa odporność ruchomych elementów implantu na tarcie i tribokorozję oraz ogranicza ilość powstających produktów zużycia. 

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

– Dla naszego zespołu niezwykle ważne jest szukanie rozwiązań, które w realny sposób mogą poprawić bezpieczeństwo i komfort najmłodszych pacjentów – podkreśla prof. Celina Pezowicz.

Szkoda-Poliszuk K., Dobrowolska-Brończyk A., Marcula J., Pezowicz C., „Wear and tribocorrosive performance of DLC coating at the screw-rod interface in the Guided Growth Spinal Systems”, Wear, 2026.

bsol