Perspektiva fullerenů pro kloubní implantáty

Abstract

Ochorenia kĺbovej chrupavky, najmä osteoartróza, predstavujú závažný medicínsky problém postihujúci až štvrtinu dospelej populácie. Zavedenie lokálnych kĺbových implantátov ako menej invazívnej alternatívy k totálnym náhradám prináša novú kontaktnú oblasť medzi kovom a natívnou chrupavkou, kde dochádza k zvýšeniu trenia a opotrebenia. Cieľom tejto práce je experimentálne overiť, či anorganické nanočastice na báze disulfidu volfrámu (IF-WS) pridané do synoviálnej kvapaliny dokážu zlepšiť mazacie podmienky na tomto rozhraní. Tribologické merania boli realizované na pin-on-plate tribometri, kde pin z natívnej hovädzej chrupavky bol v kontakte s doštičkami z troch materiálov – CoCrMo, Ti6Al4V a Ti6Al4V s povlakom DLC. Synoviálna kvapalina bola aditivovaná IF-WS nanočasticami v koncentráciách 0, 100 a 200 µg/ml, pričom každá kombinácia materiálu a koncentrácie bola opakovaná trikrát. Najnižší priemerný koeficient trenia 0,1166 bol dosiahnutý pri kombinácii Ti6Al4V + DLC s koncentráciou 200 µg/ml WS, čo predstavuje zlepšenie až o 66 % v porovnaní s čistou synoviálnou kvapalinou. Pri porovnaní materiálov pri rovnakých koncentráciách sa poradie výsledkov ustálilo nasledovne: Ti6Al4V + DLC, Ti6Al4V, CoCrMo. Pridanie IF-WS nanočastíc vo všeobecnosti znížilo koeficient trenia, pričom vyššia koncentrácia 200 µg/ml prinášala konzistentne lepšie výsledky. Výsledky potvrdzujú, že IF-WS nanočastice majú silný potenciál ako aditívum do synoviálnej kvapaliny pri viskosuplementácii. Pre klinické využitie sú nevyhnutné ďalšie experimenty zahŕňajúce dlhodobé testovanie, dôkladnejšie vyhodnotenie opotrebenia chrupavky a ďalšie overenie cytotoxicity pri fyziologicky relevantných podmienkach.Diseases of the articular cartilage, particularly osteoarthritis, represent a serious medical problem affecting up to a quarter of the adult population. The introduction of local joint implants as a less invasive alternative to total replacements creates a new contact area between metal and native cartilage, where friction and wear are increased. The aim of this study is to experimentally verify whether inorganic fullerene-like tungsten disulfide (IF-WS2) nanoparticles added to synovial fluid can improve lubrication conditions at this interface. Tribological measurements were performed on a pin-on-plate tribometer, where a pin made of native bovine cartilage was in contact with plates made of three materials – CoCrMo, Ti6Al4V, and DLC-coated Ti6Al4V. The synovial fluid was doped with IF-WS2 nanoparticles at concentrations of 0, 100, and 200 µg/ml, with each combination of material and concentration repeated three times. The lowest average coefficient of friction, 0.1166, was achieved with the Ti6Al4V + DLC combination at a WS2 concentration of 200 µg/ml, which represents 66 % improvement compared to untreated synovial fluid. When comparing materials at the same concentrations, the order of results was as follows: Ti6Al4V + DLC, Ti6Al4V, CoCrMo. The addition of IF-WS2 nanoparticles generally reduced the coefficient of friction, with the higher concentration of 200 µg/ml consistently providing better results. The results confirm that IF-WS2 have strong potential as an additive to synovial fluid for viscosupplementation. For clinical application, further experiments are necessary, including long-term testing, a more thorough evaluation of cartilage wear, and further verification of cytotoxicity under physiologically relevant conditions.