שתלי טיטאניום המצופים בפולימר ביולוגי

חוקרים מהמכון לטכנולוגיה בג'ורג'יה הראו כי ציפוי שתל טיטאניום בחומר ביולוגי חדש מגביר את ריפוי הרקמה, משפר את צמיחת העצם סביב השתל ומחזק את החיבור והשילוב של השתל לעצם

חוקרים מהמכון לטכנולוגיה בג'ורג'יה הראו כי ציפוי שתל טיטאניום בחומר ביולוגי חדש מגביר את ריפוי הרקמה, משפר את צמיחת העצם סביב השתל ומחזק את החיבור והשילוב של השתל לעצם.

“עיצבנו ציפוי ש”מתקשר” באופן ספציפי עם התאים ו”פוקד” על התאים להצמיח עצם מסביב לשתל,” אומר Andrés García, פרופסור בביה”ס להנדסה מכאנית ובמכון לביו-הנדסה וביו-מדעים. פרטים אודות הציפוי החדש מופיעים בגיליון יולי של כתב-העת Biomaterials.

תחליפי ברך או ירך שלמים שורדים כחמש עשרה שנים עד שהמרכיבים שלהם נשחקים או מתרופפים. עבור מטופלים צעירים הדבר מוביל לניתוח שני להחלפת המפרק המלאכותי הראשון. עם כמעט ארבעים אחוזים מ- 712,000 החלפות של ברך או ירך בארה”ב בשנת 2004 במטופלים צעירים בגילאי 45-64, הארכת משך החיים של מפרקי הטיטאניום ויצירת חיבור טוב יותר לעצם הופכים לגורמים חשובים ביותר. שיטות טיפול קליניות נוכחיות במקרים כאלו כוללות חספוס משטח הטיטאניום של השתל או ציפויו בפתיתים של חומר קראמי הנקשר ישירות לעצם.

“הציפוי החדש שלנו מורכב מרצועות פולימר בעל צפיפות גבוהה, בדומה לזיפים של מברשות השיניים המוכרות, שאותו אנו יכולים לקשור לחלבון הפעיל ביולוגית שלנו,” מסביר החוקר הראשי. במקרה הנ”ל הפולימר מכיל כמויות מבוקרות של חלבון מהונדס המחקה את פעילותו של החומר פיברונקטין (fibronectin), חלבון בגוף המתפקד כאתר קישור לקולטני פני-שטח (surface receptors) המכונים אינטגרינים (integrins). חשוב לפקח על קישור האינטגרינים לשתל הטיטאניום מכיוון שהם מספקים את האותות לצמיחת העצמות. כך, שבקרה על קישור האיטגרינים לטיטאניום תוביל לאותות מוכוונים אשר יגבירו את צמיחת העצמות שמסביב לשתל.

לשם קישור האינטגרינים לטיטאניום החוקרים ציפו אותם, עד היום, באות ביולוגי קצר המכיל את רצף חומצות האמינו ארגינין-גליצין-חומצה אספרטית (RGD) הנקשרת לאינטגרינים. אולם, רצף קצר זה נקשר לקולטני אינטגרינים אחרים ומסוגים שונים ובזיקה הפחותה מאוד מחלבון הפיברונקטין המלא.

“שכיח לחקות מקטע קצר בלבד של פיברונקטין, אולם ברגע שאתה עושה כך ומתעלם משאר התרכובת אתה מאבד את הבררנות והפעילות המלאה של החלבון, דבר המוביל להיחלשות האות הביולוגי,” מסביר החוקר הראשי. בשל כך החוקרים השתמשו במקטע ארוך יותר של אותו סוג החלבון הכולל את הרצף הפפטידי הקודם (RGD) בנוסף למקטעים חדשים הידועים כנוטלים חלק בקישור לאינטגרינים.

בכדי לבחון את ביצועיו של ציפוי הטיטאניום החדש בגוף החי בריפוי עצמות, הכימאים של הקבוצה ציפו את פני-השטח של צינוריות טיטאניום דקיקות ברמת ניקיון רפואית עם הפולימר. לאחר מכן מהנדסי החומרים שינו את הפולימר כך שיקשור אליו את מקטע החלבון החדש.

בתוך עצמות השוק של חולדות נקדחו חרירים מעגליים בקוטר של שני מילימטרים וצינוריות הטיטאניום החדשות הוכנסו לחרירים אלו. החוקרים בחנו שלושה סוגים של שתלים: טיטאניום בלתי-מצופה, טיטאניום המצופה ברצף RGD הקצר בלבד וטיטאניום המצופה בחתיכות החלבון המהונדס בצפיפויות משתנות.

בכדי לאמוד את יעילותם של משטחים חדשים אלו בקידום צמיחת העצמות, החוקרים מדדו את שטח העצמות החדשות שמסביב לשתל וכן את חוזק החיבור של השתל לעצם עצמה. בחינת הממשק עצם-שתל ארבעה שבועות לאחר מכן הראתה מטריצת עצם נרחבת ומתמשכת ושיפור של שבעים אחוזים במידת הקישור בין השתל לעצם עם יתרון מובהק לציפוי החדש.

החוקרים בחנו את חוזק הקיבוע של השתלים באמצעות מדידת כמות הכוח שנדרשה לשם תלישת השתלים מהעצם. הניסוי הראה קיבוע מכאני גבוה יותר באופן משמעותי עבור השתלים המצופים במקטע החלבון המהונדס החדש יחסית לשתלים האחרים.

בנוסף להחלפת מפרקים שלמים, החוקרים בוחנים כעת כיצד למלא פערים גדולים בין העצמות, מצב המתקיים לאחר חבלה קשה או הסרת גידול באזור. “אנו מפתחים שיטה להכנת פפטידים המעודדים את סביבתה הקרובה של העצם לצמוח ולמילוי החללים בין עצמות קרובות,” מסביר החוקר הראשי.

באמצעות שיפור ה”תקשורת” עם תאי הגוף, החוקרים מסוגלים לשלוט בחיבור ובתגובה הרפואית של הגוף לכל התקן המושתל בו. כיום, רוב השתלים עטופים ביריעת קולגן, המפחיתה את הביצועים ואת אורך חייו של ההתקן. החוקרים מתכוונים להשתמש בביו-חומרים חדשים אלו בכדי לסייע בחיבורם של שתלים לגוף באופן יעיל.

להודעת החוקרים