Boljša kakovost življenja v zrelih letih

Pričakovana življenjska doba pri nas se, podobno kot v večini razvitih držav, podaljšuje. Skladno s tem se spoprijemamo s celo vrsto izzivov ob staranju prebivalstva. Z leti se naše telo spreminja. Poleg krhkosti kosti in oslabelosti mišičnih funkcij je najpomembnejša gibljivost sklepov in s tem človekova mobilnost. Ta s staranjem postaja vse bolj omejena.

Povprečni delež prebivalstva, starejšega od 65 let, bo po predvidevanjih statističnega urada leta 2025 znašal 22,3 odstotka, pet let pozneje 24,4 odstotka, leta 2040 okoli 27,8 odstotka, leta 2050 pa že 30,7 odstotka. Znano je, da pojavnost degenerativne bolezni (artroze) velikih sklepov, predvsem kolkov in kolen, s starostjo narašča eksponentno. Zato bo treba v prihodnje vgrajevati vse več ortopedskih pripomočkov, tako kolčnih kot kolenskih endoprotez, ki bodo omogočili kakovostno življenje tudi v poznejši življenjski dobi.

Kolčna endoproteza z izmenljivim vratom na stroju za preizkušanje. FOTO: arhiv UM

Kaj ima naše telo skupnega s strojništvom

Raziskave v medicini so vse bolj interdisciplinarne. Čeprav je bilo že v preteklosti veliko interdisciplinarnega sodelovanja v bioloških, kemijskih in farmakoloških vedah, se danes še posebej v ortopediji izkazuje, da odločilno postaja vključevanje strojništva, elektrotehnike, mehanike, tribologije in metalurgije v proces novih raziskav. Izredno pomembno je tudi podrobno poznavanje materialov in kako se ti obnašajo pod obremenitvijo. Na takšen, interdisciplinaren način lahko podaljšamo uporabno dobo in obstojnost vgrajenih endoprotez, hkrati pa zmanjšamo potrebo po revizijah. Današnja tehnologija ortopedskih pripomočkov temelji na trajnih biokompatibilnih vsadkih, zato so ti izdelani iz titanovih in kobalt-kromovih zlitin, za nekatere indikacije, pri katerih trajnost ni potrebna (npr. vijaki za učvrstitev zlomljenih kosti), pa so raziskave že usmerjene v resorbtivne zlitine na osnovi magnezija in cinka. Poleg navedenih kovinskih zlitin se v protetiki uporabljajo še trajne plastične mase (polietilen z ultravisoko molekulsko maso, akrilno steklo – polimetilmetakrilat in polietereterketon) ter keramični materiali.      

prof. dr. Nenad Gubeljak, dipl. ing. in izr. prof. dr. Samo K. Fokter, dr. med., specialist ortoped. FOTO: arhiv UM   

V Laboratoriju za strojne elemente in konstrukcije na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru pod vodstvom prof. dr. Nenada Gubeljaka, skupaj s Kliničnim oddelkom za ortopedijo Univerzitetnega kliničnega centra Maribor in Medicinsko fakulteto Univerze v Mariboru z izr. prof. dr. Samom K. Fokterjem raziskujemo funkcionalnost in nosilnost kolčnih in kolenčnih implantatov.

Danes se za implantate uporabljajo materiali, ki so do organizma prijazni. Kljub temu imajo tudi ti materiali omejeno nosilnost in dobo trajanja, saj so v telesu podvrženi izrazito neprijaznemu okolju in s tem pospešeni koroziji. Zato je nujno ugotoviti obnašanje specifične izvedbe in materiala endoproteze pod dinamičnimi obremenitvami ter določiti kritično stanje materiala vsadka. Raziskave prav tako kažejo, da je material vgrajene proteze podvržen utrujanju, saj na posamezne dele kovinske proteze delujejo napetosti, ki sčasoma lahko povzročijo nastanek razpoke in posledično njen zlom. Na voljo imamo sodobno raziskovalno opremo, ki omogoča vpogled v spremembe na površini materialov zaradi dinamičnih obremenitev, kakor tudi določitev trajnostne dobe proteze pri različnih višinah obremenitve. Oprema je bila pridobljena v okviru projekta Raziskovalne infrastrukture Univerze v Mariboru. S sodobnim japonskim stereomikroskopom Keyence VHX 7000 lahko dobimo vpogled v omočenost protez, z merilnim sistemom Armis 12M nemškega podjetja Carl Zeiss GOM Metrology pa s korelacijo digitalnih posnetkov merimo deformacije in napetost na površini protez in določamo območja, v katerih se bo pojavila razpoka. Eksperimentalno izmerjeno polje deformacij lahko nato primerjamo s pomiki, ki jih pridobimo z numeričnimi simulacijami prostorskega modela z metodo končnih elementov in programom Abaqus, ki so ga razvili v francoski družbi Dessault Systemes.

Opazovanje pojava razpok na izmenljivem vratu med preizkušanjem natezne trdnosti pod povečavo. FOTO: arhiv UM   

Primarna zahteva je varnost

Cilj vsakega bolnika, ki se odloči za zamenjavo obolelega kolka ali kolena z vstavitvijo sklepne endoproteze, je gotovo neboleč, stabilen in trajen umetni sklep. Cilj ortopedskega kirurga, ki je usposobljen za izvajanje endoprotetičnih operacij, je seveda enak, vendar na prvo mesto postavlja varnost bolnikov. Na trgu se pojavljajo vedno novi ortopedski pripomočki, ki pred tem sicer gredo skozi stroga testiranja, vendar ne poznamo testa, ki bi lahko v popolnosti simuliral vse dejavnike, ki dolgoročno vplivajo na obnašanje v človeško telo vgrajenega vsadka. Zaradi takšne nepredvidljivosti so najprej v skandinavskih deželah, kasneje pa tudi drugod, že pred desetletji ustanovili register endoprotez, v katerem spremljajo vsako vstavljeno endoprotezo na nacionalni ravni. Tako lahko hitro ugotovijo, ali je s katero od endoprotez kaj narobe. V Sloveniji imamo register endoprotez šele od leta 2018. Ortopedska bolnišnica Valdoltra je edina že pred tem letom spremljala vse pri njih vgrajene endoproteze. Združenje ortopedov pri Slovenskem zdravniškem društvu je vrsto let vztrajalo pri ustanovitvi nacionalnega registra tudi pri nas, vendar ustrezne rešitve vse do leta 2018 ni bilo.

Kolčna endoproteza z izmenljivim vratom. FOTO: arhiv UM  

Inovacijska past

V takšnih razmerah smo se povsem nepripravljeni srečali s težavo v zvezi z določenim modelom kolčnih endoprotez. V prvem desetletju 21. stoletja smo namreč pogosto vgrajevali »inovativne« kolčne endoproteze, pri katerih je deblo namesto iz običajnega enega kosa izdelano iz dveh kosov: delu, ki se zagozdi v stegnenico (deblo), operater med samo operacijo v poseben utor vstavi posebej izdelan drugi del (vrat), ki lahko ima različno geometrijo. Tako lahko med samim operacijskim posegom ortopedski kirurg bolje povrne bolnikovo anatomijo in prilagodi endoprotezo njegovim značilnostim. S tem naj bi bila endoproteza teoretično trajnejša, zmanjšalo bi se število izpahov in lažje bi restavrirali dolžino okončine. Izkazalo se je, da so se tako imenovani izmenljivi vratovi po nekaj letih začeli nenadoma lomiti. Prvi tak zlom je bil v svetovni literaturi opisan leta 2010, pri nas smo prvega opisali leta 2012. Zlom izmenljivega vratu bolnike popolnoma ohromi, saj zaradi bolečin ne morejo hoditi, in zahteva zelo težavno revizijsko operacijo. Proizvajalec je na zaplet odgovoril tako, da so »stare« izmenljive vratove, ki so bili izdelani iz titanove zlitine, zamenjali z »novimi« iz kobalt-kromove zlitine, ki naj bi bili mehansko trdnejši. »Novi« vratovi so se lomili še hitreje, zato so jih morali kmalu odpoklicali s trga.

Opazovanje omočenosti (vraščanja kostnine) na porozno površino debla kolčne endoproteze s stereo-mikroskopom visoke ločljivosti. FOTO: arhiv UM   

Slovenski ortopedi smo se na problem odzvali tako, da smo najprej določili obseg zapletov. V štirih največjih ortopedskih centrih smo ročno pregledali dokumentacijo vseh bolnikov z vstavljeno »inovativno« kolčno endoprotezo in med njimi našteli kar 23 zlomov izmenljivega vratu. Ugotovili smo, da so dejavniki tveganja za zlom izmenljivega vratu moški spol, nižja starost in vrat iz kobalt-kromove zlitine. Mlajši bolniki so namreč bolj delovno in rekreacijsko aktivni, na dan naredijo več korakov kot starejši, in s tem bolj obremenjujejo tako svoje telo kot vstavljeno endoprotezo.

Nato smo se v sodelovanju z Laboratorijem za strojne elemente in konstrukcije ter s prof. dr. Rebeko Rudolf s Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru lotili raziskav mehanskih in metalurških vzrokov za zlome izmenljivih vratov. Ugotovili smo, da razpoke v materialu povzroči mehansko podprta korozija v špranji, širjenje razpoke pa končno privede do porušitve. Vratovi iz kobalt-kromove zlitine se zlomijo po krajšem času, ker nastane med deblom, izdelanim iz titanove zlitine, in vratom iz kobalt-kromove zlitine, še galvanska korozija, ki celoten korozijski proces še pospeši. Izdelali smo tudi model končnih elementov, ki smo ga nato lahko uporabili pri simulaciji vzrokov za zlome izmenljivih vratov pri posameznih zanimivih primerih. V sodelovanju z Odsekom za fiziko nizkih in srednjih energij Inštituta Jožef Stefan v Ljubljani pod vodstvom prof. dr. Primoža Pelicona smo s posebno metodo mikro-PIXE (angl. Proton-Induced X-ray Emission), metodo elementarne analize v bioloških tkivih bolnikov, ki smo jim opravili revizijo kolčne endoproteze zaradi zloma izmenljivega vratu, dokazali prisotnost korozivnih produktov, ki so izvirali iz spoja med deblom in vratom endoproteze. Izkazalo se je, da smo se učinkovito odzvali na dano situacijo in tako prispevali k izboljšanju varnosti bolnikov in znanju o materialih za izdelavo endoprotez. Vse izsledke smo sproti predstavljali na mednarodnih kongresih in objavljali v svetovni medicinski literaturi ter zaradi pomembnosti raziskav dosegli visoko citiranost. Zanimivo je, da je zaradi podobnega problema v severni Italiji ministrstvo za zdravje zahtevalo in finančno podprlo podobne raziskave, saj bi lahko imel zaplet katastrofalne posledice, če bi se zlomili vratovi vseh vgrajenih tovrstnih endoprotez – samo v Sloveniji jih je bilo namreč vgrajenih okoli 3000. K sreči se po dosedanjih podatkih zlomi le od 0,5 do 2 odstotka izmenljivih vratov.

Kolčna endoproteza z izmenljivim vratom. Na prerezu je dobro viden utor v deblu proteze, v katerega se med operacijo vstavi izmenljivi vrat. FOTO: arhiv UM   

Ob koncu velja poudariti, da je naše raziskovalno delo na področju endoprotez pripomoglo k uresničitvi dveh pomembnih ciljev, na kar smo izredno ponosni. V Sloveniji smo leta 2018 ustanovili register endoprotez, ki ga zelo uspešno vodi dr. Vesna Levašič, leta 2022 pa je proizvajalec opisane izvedbe kolčnih endoprotez te v Evropski uniji prenehal tržiti. Opisani primer zapleta s kolčnimi endoprotezami je dodaten dokaz, kako pomembna sta interdisciplinarno sodelovanje in vlaganje v kritično znanstveno infrastrukturo za obvladovanje nepredvidljivih dogodkov. Z napredkom na tem področju in naraščajočo interdisciplinarnostjo v znanosti prispevamo ne samo k daljši življenjski dobi posameznika, temveč tudi in predvsem k boljši kakovosti življenja v zrelih letih.

———

Prof. dr. Nenad Gubeljak je vodja Laboratorija za strojne elemente in konstrukcije na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru, izr. prof. dr. Samo K. Fokter pa specialist ortoped na Kliničnem oddelku za ortopedijo Univerzitetnega kliničnega centra Maribor.