Česká věda má světu stále co nabídnout. Zářným příkladem tohoto tvrzení je práce vědců z Ústavu chemie materiálů Vysokého učení technického v Brně. Výsledkem jsou chytré materiály, které by v brzké budoucnosti měly být lidem nápomocny v mnoha oblastech péče o lidské zdraví od regenerativní medicíny přes kosmetickou chirurgii až k záchovné stomatologii.

Jedním z takových materiálů je nové polymerní »lepidlo kostí«. Zlomeniny kostí mají většinou příčiny v úrazech, ale řada z nich je důsledkem vývojových vad, přetěžování organismu a procesů stárnutí.

Současná chirurgická praxe je taková, že po repozici (napravení do správné polohy) kostních fragmentů následuje sádrová dlaha a několikatýdenní omezená pohyblivost. Tým profesora Josefa Jančáře v sekci speciálních syntéz, vedené doktorkou Lucy Vojtovou z Ústavu chemie materiálů brněnského Vysokého učení technického, se však na celý problém podíval neortodoxním způsobem.

Z jeho laboratoří pochází syntetický polymerní hydrogel, který nejen že zafixuje zlomené fragmenty, ale dodá do místa poškození i potřebné bioaktivní komponenty pro remodelaci kosti a její urychlené hojení.

Ke zlomenině se materiál vstříkne speciálním injektorem. Při teplotě lidského těla ztuhne, čímž kost zpevní a sádrovou dlahu nahradí jednoduchá ortéza, která zajistí přiměřené namáhání »slepené« kosti, a tím i urychlené hojení.

Jak vyléčit poškozený meniskus

Ovšem to zdaleka není vše. „K léčbě nemocí tkání jako jsou kosti, chrupavky, vazy či menisky byla připravena řada nových materiálů pro použití jako nosiče kmenových buněk v tkáňovém inženýrství nebo jako hydrogely pro aplikace v ortopedii, chirurgii a oftalmologii,“ popisuje Lucy Vojtová.

„Nejblíže ke klinické praxi mají nosiče mesenchymálních kmenových buněk (buněk, nacházejících se v kostní dřeni, kde vytvářejí chrupavky nebo vaziva, pozn. red.) pro léčbu defektů kostí a chrupavek na bázi porézních kolagenových struktur s řízenou délkou resorpce čili vstřebáním v organismu.“.

Nezůstane ani stopa

Na brněnské Veterinární a farmaceutické univerzitě experimenty s tímto materiálem již probíhají. „Ukázalo se, že nosič kmenových buněk může fungovat při léčbě různých vývojových anomálií, traumat kloubních chrupavek, segmentálních zlomenin dlouhých kostí, poranění vazů a poranění menisků,“ nastiňuje výsledky výzkumu vedoucí týmu veterinárních chirurgů profesor Alois Nečas.

Na rozdíl od většiny dosud používaných materiálů se tento buněčný nosič, jehož součástí jsou vlastní kmenové buňky pacienta, ve chvíli, kdy se poškozený defekt úspěšně zahojí, enzymaticky rozloží na netoxické produkty, takže po něm v organismu nezůstane ani stopa.

„Po úspěšném pětiletém testování na zvířecích modelech se nyní chystá úvodní klinické testování těchto materiálů na lidech,“ dodává profesor Jančář.

Řízená terapie

Brněnští vědci mají v zásobě i další zajímavé a šikovné materiály, jejichž využití leckomu usnadní život zvláště při vzniku vývojových defektů kostí a po úrazech, kdy je třeba provést kosmetickou rekonstrukci především obličejových partií.

Jedním z nich je speciální termocitlivý polymerní materiál obsahující i další složky, jako jsou nanočástice anorganické složky kostní tkáně a další bioaktivní látky. Tato látka je za běžné pokojové teploty tekutá, ale při teplotě lidského těla, téměř okamžitě ztuhne.

„Může se tedy aplikovat injekčně na místo určení, kde se po »splnění úkolu« rozloží na netoxické produkty organismem snadno vyloučitelné. Pro pacienta minimalizuje nezbytný rozsah chirurgického zásahu,“ dodává profesor Jančář.

Testy se rozbíhají

Jak dlouho bude hydrogel působit a za jak dlouho se v organismu rozloží, to vše lze cíleně řídit již v procesu jeho syntézy. Tato doba se může pohybovat od dnů až po několik měsíců. Prostě tak, jak bude vyžadovat konkrétní léčba.

„Tento materiál může být vhodným kandidátem třeba pro injekční léčbu defektů kostí a kloubů, může být nosičem léčiv v oftalmologii či nosičem buněk pro tkáňové inženýrství a jiné buněčné terapie,“ vypráví Lucy Vojtová a pokračuje:

„V současné době začíná testování daného materiálu na defekty skeletálního (kosterního, pozn. red.) systému na VFU Brno a zároveň se rozbíhá spolupráce Ústavu chemie materiálů FCH VUT v Brně na komercionalizaci těchto materiálů s firmou Národní tkáňové centrum.“.

Pryč s amalgámem

Už Cimrman říkal, že zuby jsou pohroma úst, i když on použil poněkud expresivnější výraz. Návštěva zubaře je pro leckoho noční můrou. Ovšem i zde se díky práci chemiků brněnského Vysokého učení technického může leccos změnit.

V týmu profesora Jančáře byly v sekci kompozitních materiálů pod vedením doktora Petra Poláčka vyvinuty světlem tvrditelné hybridní polymerní kompozity jako náhrada kovových součástí zubních implantátů, kořenových čepů a nosných konstrukcí zubní protetiky.

Nosič zubních můstků

Jedná se o předimpregnované tvarovatelné kompozitní polotovary, obsahující rovnoměrně rozmístěná vyztužující vlákna ve světlem vytvrditelné pryskyřici. Tyto materiály slouží například jako nosné konstrukce zubních můstků, fixují pohyblivé zuby u parodontických pacientů nebo slouží jako dlahy ke stabilizaci zubů při traumatech.

„V posledním roce byly připraveny zcela unikátní hybridní výplňové kompozity, schopné vydržet desateronásobně větší zatížení než dosud ve stomatologii používané výplňové kompozity a nanokompozitní »umělá sklovina«, která by měla odstranit největší slabinu dosud používaných »bílých výplní«, a to vyšší otěr a depozici organického plaku ve srovnání s biologicky nevhodným, leč levným amalgámem,“ říká Josef Jančář.

Zlomeninu simuluje počítač

Jak odhadnout vztah struktury těchto nových velmi složitých materiálů k jejich vlastnostem a biologickým funkcím? Pomoci mohou kromě složitých a drahých experimentů i vhodné počítačové modely. Proto v týmu profesora Jančáře existuje i sekce počítačových simulací a modelování pod vedením doktora Jana Žídka.

Byla zde vyvinuta řada numerických modelů schopných simulovat vztahy mezi vnitřní strukturou a fyzikálními vlastnostmi biokompozitů a biopolymerů. To výzkumníkům v mnohém usnadňuje jejich práci. Mohou totiž lépe předpovědět chování těchto materiálů při podmínkách, které jsou v laboratoři jen obtížně realizovatelné.

Od kostí až k stavebnictví

K českým vědcům bohužel nemíří tolik finančních prostředků, které by potřebovali k dotažení svých výzkumů, a to i v oborech, kde jsme světovou špičkou. Tato situace není ani tak důsledkem malého objemu peněz poskytovaných ze státního rozpočtu, ale jejich naprosto tristním a nekoncepčním rozdělováním na úrovni jejich poskytovatelů, nekoncepčním přerozdělováním prostředků na úrovni příjemců a mizivým zastoupením soukromých zdrojů.

Přesto jejich práce přináší zajímavé ovoce. „Zmíněné výsledky a potřeba vyvíjet nové materiály nejen pro medicínu, ale i pro strojírenství, stavebnictví, elektroniku, fotovoltaiku dělají ze studijního programu chemie materiálů velmi perspektivní studijní obor pro studenty, kteří mají zájem o chemii, fyziku a další přírodní vědy a jejich aplikaci v užitečných výrobcích usnadňujících život nejen nemocným, ale vlastně všem lidem,“ uzavírá Josef Jančář.

Úspěchy brněnských vědců

*Na základě zkušeností z vedení velkých výzkumných projektů během dlouholetého působení v USA se profesoru Josefu Jančářovi po návratu do ČR podařilo získat dva velké výzkumné projekty, podpořené Ministerstvem školství mládeže a tělovýchovy v celkové hodnotě přes 130 mil. Kč, na výzkum pokročilých polymerních materiálů.

*S ohledem na výsledky základního výzkumu, získané v posledních deseti letech s podporou těchto projektů v Ústavu chemie materiálů Fakulty chemické VUT v Brně, a výsledků projektů výzkumu nových biomateriálů, na jejichž řešení se podílel prof.

A. T. DiBenedetto z University of Connecticut v USA a prof. A. Nečas z Fakulty veterinárního lékařství VFU v Brně, byly vyvinuty zcela nové unikátní homogenní a heterogenní polymerní materiály pro využití v medicíně a ve stomatologii.

*Do týmu se díky těmto projektům podařilo získat špičkové mladé vědce jako dr. Vojtovou, dr. Žídka či dr. Poláčka. Lze jen doufat, že se podaří v Brně uvést do života projekt Středoevropského technologického institutu CEITEC, kde by tito mladí vědci našli nejen zázemí pro svou práci, ale i prostor pro další rozvoj své vědecké činnosti i činnosti svých studentů.