Apa yang terjadi pada implan titanium begitu mereka berada di dalam tubuh manusia? Mengapa mereka terkadang ditolak atau bahkan rusak? Peneliti EMPA Martina Cihova sedang mengeksplorasi pertanyaan -pertanyaan ini di antarmuka antara implan dan jaringan manusia dan sel, di mana ilmu material memenuhi obat. Dia baru -baru ini dianugerahi hibah Ambizione dari Swiss National Science Foundation (SNSF) untuk mendukung penelitiannya.
Berkat Kemajuan Kedokteran, orang -orang saat ini hidup lebih lama dari sebelumnya. Maklum, kami juga ingin tetap sehat dan bergerak hingga usia tua. Implan dan prosthetics dapat menggantikan sendi dan gigi yang usang, menghilangkan rasa sakit dan sangat meningkatkan kualitas hidup kita. Implan medis modern adalah keajaiban kecil ilmu biomaterial dan bioengineering. Namun, terlepas dari kecanggihan mereka, implan kadang -kadang gagal, yang dapat memiliki konsekuensi serius bagi pasien.
Mengapa kegagalan ini terjadi – dan mengapa mereka lebih sering terjadi dalam beberapa tahun terakhir? Peneliti EMPA Martina Cihova dari Teknologi Bergabung dan Laboratorium Korosi bertujuan untuk mengetahuinya. Untuk melakukannya, dia memperhatikan perilaku implan di dalam tubuh. Ilmuwan telah menerima hibah Ambizione empat tahun dari Yayasan Sains Nasional Swiss untuk proyek penelitiannya.
Banyak implan yang umum digunakan – termasuk sendi buatan, implan gigi dan alat pacu jantung – terbuat dari titanium. Logam transisi ini ringan dan kuat, sangat tahan lama di dalam tubuh, dan sangat baik dalam memungkinkan jaringan tulang untuk menempel padanya. Sifat -sifat yang menguntungkan ini disebabkan oleh lapisan oksida tipis yang terbentuk secara alami pada permukaan titanium ketika terpapar udara. Pada akhirnya, bukan titanium itu sendiri, tetapi lapisan permukaan pelindung yang bersentuhan dengan tubuh. “Karena lapisan pasif asli ini kurang dari sepuluh nanometer, sering kali menerima terlalu sedikit perhatian dalam teknologi dan penelitian medis,” kata Martina Cihova.
Selain itu, beberapa produsen memodifikasi lapisan oksida, misalnya, dengan menebarnya menjadi jenis dan ukuran implan kode warna. Yang lain kasar permukaan implan untuk mendorong integrasi tulang – atau laser -ukikan nomor seri untuk memastikan keterlacakan. Berkat proses berbasis laser, bahkan pencetakan 3D implan spesifik pasien sekarang dimungkinkan. Ini semua adalah aplikasi yang menyenangkan, tetapi: “Perawatan apa pun dapat mengubah titanium oksida pada permukaan implan,” kata Cihova, “dan ada terlalu sedikit penelitian tentang bagaimana perubahan ini mempengaruhi interaksi implan dengan tubuh dan ketahanan korosionnya.”
Dengan proyeknya, peneliti EMPA bertujuan untuk menutup kesenjangan pengetahuan ini. Ketertarikannya dengan sains material dimulai selama studinya di bioengineering, yang menginspirasi dia untuk menggeser fokus dan mengejar gelar PhD dalam metalurgi untuk menyelam lebih dalam ke dunia materi. Hari ini, ia menggabungkan kedua bidang keahlian, fokus pada di mana logam, atau oksida logam, dan biologi bertemu: antarmuka antara implan dan tubuh manusia.
“Biointerfaces seperti itu sangat kompleks, tetapi juga sangat menarik,” kata peneliti muda itu. “Ketika kita memikirkan korosi, kita biasanya memikirkan air laut yang asin, udara lembab, mungkin sepeda yang berkarat – tetapi bukan tubuh manusia.” Namun tubuh kita bisa menjadi lingkungan yang sangat agresif terhadap material, terutama ketika reaksi kekebalan tubuh terjadi. Sel kekebalan melepaskan berbagai zat yang dapat, misalnya, menurunkan nilai pH dan menyerang implan. Jadi, apa efek lingkungan tubuh terhadap bahan yang kami anggap stabil? Ini adalah pertanyaan di jantung penelitian biokorosion.
Proses -proses ini sangat kompleks baik pada kimia (elektro) dan tingkat biologis. Selain itu, tidak semua titanium oksida adalah sama. Meskipun komposisi kimianya, TiO2, tetap sama, titanium oksida dapat ada dalam tiga bentuk kristal yang berbeda atau dalam keadaan struktural amorf, tidak terdefinisi “. Masing -masing bentuk ini memiliki sifat elektronik dan elektrokimia yang berbeda, yang juga dapat mempengaruhi bagaimana bahan berinteraksi dengan tubuh.
Perlakuan permukaan implan dapat mengubah struktur kristal oksida ini, baik di seluruh implan atau hanya di area tertentu. Untuk memahami bagaimana heterogenitas lokal ini mempengaruhi biointerface yang sudah kompleks, Cihova dan timnya mengambil pendekatan langkah demi langkah yang sistematis. Bekerja sama dengan para ahli untuk pemrosesan laser logam di EMPA di Thun, mereka membuat substrat sampel dengan lapisan titanium oksida terstruktur berbeda yang bervariasi secara sistematis dalam heterogenitasnya. Substrat ini kemudian terpapar cairan tubuh yang semakin kompleks untuk menyelidiki hubungan mendasar antara struktur oksida, sifat dan reaktivitas.
“Kami mulai dengan cairan fisiologis yang disimulasikan yang hanya mengandung air dan ion,” jelas Cihova. Langkah selanjutnya melibatkan penambahan protein seperti fibrinogen, yang terlibat dalam respons imun dan penyembuhan luka. Akhirnya, para peneliti berencana untuk menyelidiki bagaimana biointerface berperilaku bersentuhan dengan sel makrofag hidup – kepolisian tubuh. Untuk ini, mereka berkolaborasi dengan para peneliti di St. Gallen. “Saya sangat senang bahwa kami bisa mendapatkan kolega dari ketiga situs EMPA untuk proyek ini,” kata Cihova. “Pertanyaan kompleks yang kami bahas secara inheren interdisipliner, dan menangani mereka membutuhkan keahlian dari berbagai bidang.”
Pada setiap tahap penelitian, antarmuka diselidiki secara menyeluruh menggunakan metode elektrokimia yang dipasangkan dengan elektron resolusi tinggi dan mikroskop gaya atom. “Melihat adalah pemahaman – bahkan jika itu berarti memperbesar skala panjang jauh lebih kecil dari sel manusia,” kata Cihova. “Di situlah detail penting sering kali dapat ditemukan.”
Peneliti EMPA berharap bahwa temuan dari beberapa tahun ke depan akan mengarah pada implan yang lebih aman dan lebih dapat diandalkan. Dan juga “bahwa kita belajar lebih banyak tentang bagaimana secara efektif memanfaatkan variasi sifat oksida yang luar biasa untuk aplikasi biomedis spesifik.” Mengikuti proyek Ambizione pada tahun 2028, ia berencana untuk memperluas metode baru ke bahan medis lainnya. Cihova yakin bahwa bidang penelitian ini akan menjadi lebih penting di masa depan: “Perilaku oksida logam di biointerfaces juga merupakan kunci untuk kinerja mereka di bidang nanomedis yang muncul dan teknologi sensor implan.”
