Chrząstka stawowa jest tkanką łączną, która pokrywa powierzchnie stykających się ze sobą kości w stawach. Zbudowana jest miedzy innymi z wody, komórek chrzęstnych zwanych chondrocytami oraz substancji międzykomórkowej, często określanej mianem macierzy. Macierz stanowią nanowłókna kolagenowe, proteoglikany i białka niekolagenowe. Dzięki takiej budowie, chrząstka stawowa posiada zdolność pochłaniania i rozkładu sił działających w stawie, oraz zapewnia niemal beztarciowy ruch powierzchni stawowych. W wyniku urazów i chorób zwyrodnieniowych stawów chrząstka traci powyższe właściwości. W przeciwieństwie do tkanki kostnej chrząstka nie ma możliwości regeneracji samoistnej; raz uszkodzona może tylko wypełnić się blizną łącznotkankową. Szacuje się, że około15% ludzi na świecie cierpi z powodu chorób chrząstki stawowej. Liczbę osób w Polsce dotkniętych chorobami chrząstki ocenia się na około 5 milionów. Objawami klinicznymi tych chorób są ból i ograniczenie funkcji stawu. Do obecnie stosowanych metod leczenia chorób chrząstki należą: leczenie farmakologiczne, przeszczepy własnej chrząstki (np. z powierzchni nieobciążanej), przeszczepy allogeniczne (pobrane ze zwłok), przeszczepy okostnej i/lub komórek szpiku oraz techniki stymulujące powstawanie blizny chrząstkopodobnej: nawiercanie i mikrozłamania. Przy większych ubytkach chrząstki konieczne jest stosowanie alloplastyki stawu. Większość stosowanych metod pomimo zaawansowania technicznego ma znikomą skuteczność terapeutyczną i ograniczone wskazania. Z tego powodu konieczne jest poszukiwanie nowych rozwiązań leczenia chorób chrząstki. Dzięki znaczącym postępom w inżynierii materiałowej i nanotechnologii opracowywane są nowe, doskonalsze rozwiązania materiałowe do zastosowań w medycynie. Powstają nowe biomateriały - substancje naturalne lub syntetyczne, które służą do wytworzenia elementów uzupełniających lub zastępujących tkanki i/lub narządy człowieka. Używane są między innymi do wytwarzania zespoleń kostnych, sztucznych stawów, naczyń krwionośnych oraz produktów inżynierii tkankowej. W związku z zastosowaniem biomateriałów w organizmie ludzkim powinny one charakteryzować się wysoką biozgodnością, świetnymi właściwościami mechanicznymi oraz budowa zbliżonej do zastępowanych tkanek i narządów. W zależności od strategii leczenia wymaga się od nich także wysokiej odporności chemicznej, bądź przeciwnie, dużej reaktywności, aż do resorpcji w środowisku fizjologicznym. W świetle istniejących osiągnięć w zakresie biomateriałów stosowanych w leczeniu chrząstki stawowej w niniejszej pracy przedstawiono oryginalne rozwiązania materiałowe, które mogą wspomagać zastępowanie ubytków tkanki chrzęstnej oraz regenerację i odbudowę uszkodzonej tkanki chrzęstnej. Opracowanie nowych rozwiązań materiałowych poprzedzone jest w pracy rozważaniami poznawczymi na temat potencjalnych mechanizmów uszkodzeń sztucznych stawów człowieka. Dokonano analizy uszkodzeń implantów i ich przyczyn na postawie symulacji numerycznych oraz badań eksperymentalnych. Analizy numeryczne wykazały znaczący wpływ materiału i geometrii implantów na stań naprężeń i odkształceń w sztucznym stawie barkowym. Wykazano, że wartości naprężeń w implantach często przekraczają dopuszczalne naprężenia do stosowanych materiałów, co może prowadzić do ich uszkodzeń, np. zużycia materiału. Występowanie mechanizmów niszczenia materiałów implantacyjnych tj. zużycie, korozja, pękanie i utlenianie, potwierdzone zostało w szczegółowych badaniach protez usuniętych w operacjach rewizyjnych stawów człowieka. Dodatkowe badania na opracowanym stanowisku do testów trybologicznych endoprotez stawu barkowego pozwoliły wyznaczyć wpływ geometrii implantu i naprężeń kontaktowych na zużycie materiału polimerowego. Jednym z proponowanych oryginalnych rozwiązań materiałowych jest opracowanie nowego biozgodnego materiału na bazie hydrożelu alkoholu poliwinylowego z zastosowaniem metody termicznej (cyklicznego zamrażania i odmrażania) oraz porowatego tytanu (porowatość otwarta 75%) otrzymanego metodą metalurgii proszków. Materiał hydrożelowy stanowić będzie "sztuczną chrząstkę" implantowaną w miejscu ubytku chrząstki naturalnej. Częściowa infiltracja porowatego tytanu hydrożelem, pozwoli na mocowanie "sztucznej chrząstki" w miejscu ubytku poprzez wrastanie tkanki kostnej w porowatą strukturę metalu. Dzięki zastosowaniu takiej metody uzyskano prototyp implantu chrząstki składający się z warstwy hydrożelu i porowatego tytanu. Przeprowadzone badania eksperymentalne oraz analizy numeryczne wykazały, że opracowany implant charakteryzuje się korzystniejszymi właściwościami trybologicznymi oraz mechanicznymi w porównaniu z obecnie stosowanymi rozwiązaniami. Właściwości mechaniczne i strukturalne otrzymanego hydrożelu są zbliżone do właściwości naturalnej chrząstki. Należy przypuszczać, że dzięki tym cechom nowy implant na długo przywróci funkcję chrząstki stawowej. Drugi wątek badań aplikacyjnych dotyczy obiecującej metody regeneracji chrząstki poprzez zastosowanie inżynierii tkankowej. Metoda ta zakłada wykorzystanie komórek pacjenta, które po wyizolowaniu i namnożeniu są hodowane na trójwymiarowym rusztowaniu i wraz z nim wszczepiane w miejsce ubytku tkanki. Po pewnym czasie komórki te tworzą nową tkankę a rusztowanie ulega degradacji. W pracy opracowano prototyp nowego bioaktywnego rusztowania dla komórek, który ma za zadanie wspomagać proces regeneracji chrząstki stawowej. Oryginalność proponowanego rozwiązania przejawia się w jednoczesnym zastosowaniu mikro i nano włókien do wytworzenia hybrydowej konstrukcji rusztowania. Hybrydowe rusztowanie powstaje w procesie powstałym z połączenia metody szybkiego prototypowania i elektroprzędzenia. Do wytworzenia rusztowania zastosowano materiały polimerowe o wysokiej czystości i biozgodności tj. polimer kwasu mlekowego oraz polikaprolakton. Wstępne badania biologiczne na komórkach mezenchymalnych szpiku kostnego potwierdzają biozgodność i bioaktywność opracowanego rusztowania. Podsumowując, przedstawiona praca przedstawia stan obecny badań w zakresie biomateriałów stosowanych w leczeniu uszkodzeń i chorób chrząstki stawowej oraz dwa nowe rozwiązania: sztuczną chrząstkę i hybrydowe rusztowanie. Mimo zadowalających wyników badań zastosowanie powyższych rozwiązań w praktyce klinicznej nadal wymaga szeregu badań przedklinicznych, w tym badań biologicznych na komórkach oraz badań na zwierzętach.
The aim of the monograph is to develop novel biomaterials and scaffolds wich may by used for the repair of cartilage damage arising from sports or occupational traumas or to overcome degenerative osteoarthritis. Two new engineering solutions are proposed: (1) an artificial cartilage consisting of nondegradable, modified Polyvinyl Alcohol (PVA) hydrogel, infiltrated into porous titanium, to replace the function of natural cartilage and stop further growth of cartilage defects; (2) a bioactive degradable hybrid 3D tissue engineered product (TEP) to support self regeneration to overcome osteochondral defects. The results of numerical and experimental evaluation of the both solutions lead to conclusion that the artificial cartilage as well as hybrid scaffold show high potential to be used for the replacement and regeneration of the articular cartilage.