Globalny problem 

Wraz z wiekiem jakość kości znacznie się obniża – tracą one swoją „elastyczność” i są bardziej podatne na urazy. Ich odporność mechaniczna spada tym bardziej, jeśli w przeszłości doznaliśmy wielokrotnych złamań. By zmniejszyć ból, a jednocześnie polepszyć sprawność kostno-stawową, konieczne jest wprowadzenie do organizmu pacjenta ciała obcego w postaci implantu. Medyczna wstawka zwykle jest wykonana z metalu, na którego składniki – niestety – część społeczeństwa ma uczulenie. Tym samym niemożliwe jest zaaplikowanie implantu w tradycyjnej formie w chorej jamie ciała, gdyż prowadziłoby to do wstrząsu anafilaktycznego bezpośrednio zagrażającego życiu. Nadzieję na rozwiązanie problemu daje pomysł polskich fizyków. Chodzi o stosunkowo tanią w produkcji nanopowłokę, która pozwoliłaby odseparować implant bezpośrednio od tkanek oraz umożliwiła pozostawienie wstawki w kończynie aż do końca życia pacjenta. Obecne metalowe implanty kostne wytwarzane w tradycyjny sposób, chociaż odporne mechanicznie, nie są trwałe, jeśli chodzi o degradację powierzchni metalowej w środowisku biologicznym. Poza tym ich wszczepienie prowadzi do wytworzenia blizny z tkanki łącznej w miejscu pożądanego kościozrostu z płaszczyzną implantu. To często generuje niestabilność elementu i wymusza konieczność reoperacji. 

Według Precedence Research światowy rynek implantów medycznych do 2030 r. osiągnie przychody rzędu niemal 146 mld dol. W największym stopniu napędzą go rosnąca populacja seniorów i co za tym idzie – potencjalnie większy odsetek ludzi cierpiących na choroby przewlekłe, także kostne. Zgodnie z prognozami do 2030 r. na Ziemi będzie żyło nawet ponad miliard osób powyżej 65. r.ż., a ponad 200 mln będzie miało więcej niż 80 lat. Do 2050 r. aż 16,4% ludności na świecie będzie seniorami, a w Europie i Ameryce Północnej ich odsetek sięgnie prawie 27%. Liczba osób 80+ potroi się, by za niecałe 30 lat sięgnąć pułapu 426 mln. Przewidywana podwyższona dynamika ruchu implantologicznego potrzebuje solidnego zaplecza. To znajduje w nanotechnologii, pozwalającej na wytwarzanie produktów o zupełnie innych, często nowych właściwościach użytkowych w porównaniu z mikro-  i makrometrycznymi materiałami. Chodzi o takie cechy, jak: twardość, biokompatybilność, hydrofilowość czy wytrzymałość. Zgodnie z definicją przyjętą przez Komisję Europejską nanomateriał to substancja zawierająca cząsteczki o długości od 1 do 100 nanometrów. Dla porównania 100 nanometrów to długość wirusa grypy. Część naukowców twierdzi jednak, że to nie rozmiar molekuł jest ważny, lecz ich właściwości, dlatego nanocząstek nie należy definiować wyłącznie poprzez ich wielkość.

Nanomateriały stosowane w medycynie i kosmetologii można podzielić pod względem: budowy, składu, wymiarowości oraz zastosowania. Ze względu na rodzaj struktury wyróżniamy: nanocząstki, dendrymery, układy micelarne, kropki kwantowe i nanorurki. Z kolei pod względem chemicznym nanomateriały dzielą się na: organiczne (polimery i dendrymery) i nieorganiczne (tlenki metali, nanocząstki metali, struktury węglowe – grafen i fullereny). Większość struktur jest syntezowana z użyciem substancji organicznych. Duży potencjał drzemiący w nanotechnologii potwierdza złoto. To rozdrobnione do wielkości nanometrycznych jest wykorzystywane w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym, działa antybakteryjnie i przeciwzapalnie, wspomaga regenerację skóry, nawilża ją i likwiduje przebarwienia. Srebro w postaci nanocząstek zaś uniemożliwia rozwój kolonii bakterii i grzybów pleśniowych i chroni przed chorobami zakaźnymi.

Do diagnostyki i terapii 

Głównym celem naukowców pracujących nad innowacyjnym rozwiązaniem jest bezpieczeństwo. Po wkręceniu implantu do organizmu ma on zapewnić wieczne połączenie z kością i blokować rozwój bakterii oraz stanów zapalnych. Dziś każdy z wszczepianych implantów trzeba wymienić – w przypadku wstawek biodrowych karencja wynosi około dekady. Według Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IF PAN) przełomem w projektowaniu multifunkcjonalnych powłok implantów powinny być biokompatybilne tlenki metali przejściowych, takie jak: ditlenek tytanu, hafnu i cyrkonu. Nanopowłoka stworzy lepsze środowisko do uzyskania kościozrostu i dzięki temu zminimalizuje ewentualne powikłania pooperacyjne. Takie rozwiązania są możliwe już dziś, jednak czynnik ekonomiczny uniemożliwia wdrożenie ich na szerszą skalę. Obniżenie kosztów metody i jej upowszechnienie, przy zachowaniu standardów ostrożności, to nadrzędny cel zespołu z IF PAN. Zaproponowane przez nich rozwiązanie z powodzeniem przetestowano na poziomie laboratoryjnym. Dalszym krokiem jest wdrożenie go w badaniach z udziałem ludzi, a do tego potrzeba grupy chętnych i inwestora.

Nanotechnologie stosowane są w nowej gamie urządzeń diagnostycznych, ukierunkowanych na rozpoznanie nawet bardzo małej ilości białek powiązanych z niektórymi chorobami i sygnalizujących możliwość ich wystąpienia. Bazują na wykorzystaniu niektórych cząstek naturalnie znajdujących się w kości i doprowadzeniu do ich samoorganizacji w bardziej uporządkowaną strukturę. Z nanowłókien powstaje żel, mogący służyć jako rodzaj kleju przy złamaniach lub do tworzenia rusztowań dla innych tkanek w celu ich późniejszej regeneracji. Badacze z Uniwersytetu Rice zasugerowali, by nanocząstki o średnicy 120 nm pokryte warstwą złota wykorzystać do zwalczania guzów nowotworowych. Te nanopowłoki można zaprojektować w ten sposób, by wiązały komórki rakowe poprzez przeciwciała lub peptydy z powierzchnią nanopowłoki. Po związaniu komórki rakowej przez nanopowłokę możliwe jest wybiórcze usuwanie struktur za pomocą zewnętrznego lasera na podczerwień. 

Nanotechnologia to także szansa na zahamowanie rozwoju infekcji bakteryjnych, które mogą być śmiertelnie groźne szczególnie przy rozległych zakażeniach. W tym celu grupa naukowców pod kierownictwem dr. Yosuke Okamury z Uniwersytetu Tōkai w Japonii zaproponowała innowacyjną nanowarstwę, idealnie przylegającą do powłok skórnych i zapewniającą dobrą ochronę przed drobnoustrojami. Opatrunki dostępne obecnie sprawdzają się tylko w przypadku stosunkowo płaskich powierzchni, co nie wyczerpuje licznych wariantów układu anatomicznego człowieka, bogatego we wgłębienia i krzywizny. Grupa Okamury wyprodukowała nanowarstwy z biodegradowalnego polilaktydu, a następnie wraz z wodą umieściła materiał w probówkach i poddała wirowaniu. Rozdrobnione tworzywo utworzyło maleńkie skrawki. Naukowcy postanowili sprawdzić skuteczność rozwiązania. W tym celu zanurzyli w mieszance palce myszy i metalową igłę. Eksperyment się powiódł – nanowarstwa dokładnie wypełniała nawet najdrobniejsze wgłębienia i szczeliny. Obiecujące wyniki pchnęły naukowców do generalnego testu naniesienia nanopowłoki na oparzenie i zweryfikowania jej odporności na drobnoustroje. I tu okazało się, że warstwa skutecznie spełnia zadanie, z myślą o którym ją produkowano. Powłoka w standardowej wersji przez trzy dni chroniła ranę przed dostępem bardzo groźnej pałeczki ropy błękitnej. Po zastosowaniu dodatkowej warstwy okres ochronny wydłużył się do sześciu dni. Oprócz nanopowłoki grupa z Uniwersytetu Tōkai pracuje również nad innymi wynalazkami. Są to np. superelastyczne powłoki patchworkowe na bazie polimerów z grupami fosforylocholinowymi, mogące wchodzić w kontakt z krwią i pokrywać różnego typu narzędzia medyczne, np. cewniki.

Nanomateriały na rynku 

Spektakularne odkrycia nie gwarantują szybkiej implementacji rozwiązań na rynku. Wprowadzenie niektórych nanomateriałów – lipidów lub nanokapsułek – do produktów leczniczych musi być poprzedzone długotrwałym, wieloetapowym procesem badań klinicznych. Mimo ścisłych procedur prowadzących do zmerkantylizowania nanopowłok niektórzy i tak twierdzą, że jak na razie zastosowanie ich w medycynie jest niebezpieczne. Chodzi głównie o brak długookresowych badań, które pokazałyby, jak produkty „nano” rozkładają się w organizmie i czy nie wiążą się z tym skutki uboczne. W Stanach Zjednoczonych wątpliwości powszechnie zaczęły pojawiać się po opublikowaniu przez EPA wyników testów świadczących o tym, że nanocząsteczki tytanu, używane w filtrach do opalania, powodują zmiany neurologiczne u myszy. Z kolei jedna z niemieckich firm została zmuszona do wycofania z rynku swojego materiału o nazwie Magic Nano po tym jak używający go klienci zaczęli mieć problemy z oddychaniem. Choć produkt ze słowem „nano” w nazwie nie zawierał cząstek wielkości nanometrów, spowodował w Europie drastyczny spadek zaufania do nanomateriałów.

Z uwagi na rosnącą popularność nanomateriałów Unia Europejska już w 2004 r. powołała Komitet Naukowy ds. Pojawiających się i Nowo Rozpoznanych Zagrożeń dla Zdrowia. Jednym z jego zadań jest właśnie podbudowane naukowo oszacowanie ryzyka związanego z korzystaniem z nanoproduktów. Normalizacja nanomateriałów jest kluczowa dla zapewnienia ochrony pracownikom wchodzącym z nimi w kontakt na różnych etapach łańcucha logistyczno-produkcyjnego, a także konsumentom korzystającym z gotowych produktów. Częsta ekspozycja dotyczy m.in. przemysłu motoryzacyjnego, kosmetycznego, elektronicznego czy też włókienniczego. Z kolei konsumenci mogą być narażeni na działanie wytworzonych nanomateriałów zawartych w farbach, filtrach przeciwsłonecznych i innych kosmetykach, opakowaniach żywności, tekstyliach, sprzęcie sportowym, elektronice i bateriach. W Polsce sprawami normalizacji zajmuje się Polski Komitet Normalizacyjny.