Vilniaus universiteto (VU) Chemijos ir geomokslų fakulteto mokslininkas dr. Aleksejus Žarkovas su bendradarbiais tyrinėja medžiagas, skirtas regeneruoti pažeistus kaulus, ir su kolegomis iš Japonijos siekia tam panaudoti keramiką. Už atliktus tyrimus ir pasiekimus šioje srityje VU chemikui suteikta Lietuvos mokslų akademijos jaunojo mokslininko stipendija įrodo, kad ši sritis tampa vis aktualesne siekiant dar labiau praplėsti žmogaus galimybių ribas.

Naujos kartos kaulinių medžiagų poreikį diktuoja besikeičianti situacija

Šiuo metu VU Chemijos ir geomokslų fakulteto mokslininkai daugiausia dirba su kalcio fosfatais – kiekvienam žmogui svarbiomis medžiagomis, kurios yra pagrindinė neorganinė kaulų dalis. Pasak dr. A. Žarkovo, jų vykdoma įvairių kalcio fosfatų sintezė tampa vis svarbesne žmonijai sritimi, kadangi žmonių populiacija sensta ir susiduria su vis daugiau problemų dėl kaulų.

„Viena dažniausių problemų – mažėjantis jų tankis kaulams senstant. Pavyzdžiui, kai reikia įsukti implantą į žandikaulį ir kaulas yra ištirpęs – jo nebėra kur sukti, jį reikia atauginti. Kitas pavyzdys: 1990 metais pasaulyje buvo 1,6 mln. šlaunikaulio kaklelio lūžių ir pagal dabartinį vystymąsi manoma, kad 2050 metais tas skaičius pasieks 6 mln. lūžių per metus. Ši problema aštrėja ir ne visada po rimtesnės traumos kaulas gali pats sugyti, todėl žmonės ieško naujų medžiagų, ką galima būtų į jį įdėti, užpildyti tą ertmę dirbtiniu kaulu ir tam naudojamos skirtingos medžiagos – pavyzdžiui, kalcio fosfatai“, – pasakoja mokslininkas.

Kad tokios medžiagos galėtų būti naudojamos, jos turi atitikti tam tikrus reikalavimus: negali būti toksiškos, turi būti biosuderinamos, taip pat, pasak dr. A. Žarkovo, idealu, jei pačiam žmogaus ar gyvūno organizme ta medžiaga gebėtų degraduoti, leidžiant vietoj jos atsirasti naujam kaului. Pasak VU mokslininko, šis procesas itin sudėtingas, nes jam įtakos turi daug faktorių, pavyzdžiui, kokiu greičiu ta medžiaga degraduoja.

„Procesas turi būti nei per greitas, nei per lėtas. Be to, šiame kalcio fosfatų pasaulyje yra atskira kryptis, kai dalį kalcio jonų bandoma pakeisti kitais biologiškai aktyviais jonais. Biologiškai aktyvūs jonai gali būti cinkas arba varis, kuris reikalingas organizmui ir gali paskatinti kaulo augimą. Kartu jie gali suteikti antibakterinių savybių, o tai irgi svarbu, kadangi į kaulą dedamas implantas yra svetimkūnis ir organizmas norės jo atsikratyti, tad dažnai kyla problema atsiradus uždegimams. Mes užsiimame būtent tokia kitais jonais pakeistų kalcio fosfatų sinteze“, – paaiškina chemikas.

Kalcio fosfatas defektuotame triušio kaule.

Siekia patobulinti medicinoje taikomas technologijas

Pasak VU mokslininko, medicinoje ši technologija jau naudojama. Chirurginiu būdu į kaulo defekto vietą dedamos reikiamos medžiagos, padedančios kaulams sutvirtėti arba ataugti: tam tikros granulės, keramika, fosfatiniai cementai arba dangos ant metalinių implantų. Tačiau dr. A. Žarkovas pabrėžia, kad mokslas nuolat tobulėja, tad paieškos tęsiasi ir toliau.

„Kai medžiagos testuojamos in vivo, kaule dirbtinai padaromas defektas, medžiaga į jį įvedama ir, grubiai sakant, ląstelės turi „suvalgyti“ tą keramiką ir padaryti iš jos naują kaulą. Procesas maždaug toks: tu maitini ląsteles tomis pačiomis medžiagomis, iš kurių sudarytas kaulas. Reikalavimai implantams priklauso nuo to, į kurią vietą yra dedami ir kokių tam tikroj vietoj reikia mechaninių savybių. Pavyzdžiui, jeigu yra kažkokia apkrova, toje vietoje negali įdėti minkšto kūno, nes iš to nebus jokios prasmės“, – pasakoja A. Žarkovas.

Tyrimai suvienija mokslininkus iš Lietuvos ir Japonijos

VU chemikų tyrimai labiausiai susiję su įvairių medžiagų sintetinimu, tačiau šiuo metu planuojami ir bendri darbai su Japonijos mokslininkais, kurie yra keramikos specialistai.

„Populiariausias ir labiausiai ištirtas kalcio fosfatų atstovas yra kalcio hidroksiapatitas, bet mes daugiausiai dirbame su antru pagal paplitimą biomineralu – vitlokitu. Vitlokitas yra ne taip plačiai ištirta medžiaga ir nėra termiškai stabili, t. y. suskyla kaitinant aukštoje temperatūroje, kuri būtina keramikai gaminti. Būtent ši kolegų iš Japonijos grupė moka suformuoti tankų ir kietą darinį žemoje temperatūroje“, – apie bendradarbiavimą pasakoja VU mokslininkas.

Už mokslinius darbus tema „Pereinamųjų metalų vitlokito sintezė“ dr. A. Žarkovas neseniai gavo Lietuvos mokslų akademijos jaunojo mokslininko stipendiją. Šiuo metu pagrindinis VU chemikų darbas ir yra susintetinti antrą pagal paplitimą biomineralą magnio vitlokitą ir jo junginyje magnį pakeisti kitais panašaus dydžio jonais – cinku, variu ar manganu.

„Ilgalaikis mūsų planas dirbant kartu su japonais – iš tos medžiagos suformuoti keramiką, ištirti jos mechanines savybes ir pažiūrėti, ar keramika gali būti pranašesnė nei dabar naudojamos medžiagos. Iš tiesų, tas kelias nuo naujos medžiagos sintezės iki in vivo tyrimų nėra toks greitas, ypač, jei pats negali tų tyrimų su gyvūnais atlikti. Su tam tikromis medžiagomis praktikoje tyrimai atliekami ir su žmonėmis, bet norint įvesti kažką naujo, pirmiausia bandymus vis tek tenka atlikti su gyvūnais, o tai trunka ilgą laiką“, – pasakoja chemikas.

Įvairūs tyrimai keičia nusistovėjusias žinias apie medžiagas

Darbas su kalcio fosfatais nėra vienintelė VU chemikų veiklos sritis. Neseniai mokslininkams pavyko susintetinti tam tikras pirochloro struktūros medžiagas nenaudojant aukštos temperatūros ir aukšto slėgio sąlygų, kurios pagal esamą literatūrą tokiai sintezei būtinos.

„Man, kaip chemikui, tai padarė įspūdį, nes įprastai tam reikalingas aukštas slėgis ir deguonies srautas, kurio mes nenaudojome. Tai reiškia, kad mes palengvinome technologinį sintezės procesą – o tai neabejotinai yra didelis privalumas, nes kiekvieno produkto gamyboje siekiama kuo paprastesnio proceso, kuo mažiau žingsnių, kuo mažiau sąnaudų. Čia irgi planuojame plėsti darbą ir galbūt perkelti tą patirtį į panašias medžiagas bei patikrinti, ar šį kol kas nedidelį, bet šiokį tokį įdirbį galėsim pritaikyti panašioje srityje“, – pasiekimais džiaugiasi dr. A. Žarkovas.