Proč se umělá kloubní náhrada opotřebuje během několika let, zatímco lidská chrupavka vydrží celý život? Právě na tuto otázku hledají odpověď výzkumné týmy po celém světě, výzkumníky z Fakulty strojního inženýrství VUT nevyjímaje. V oboru biotribologie propojují techniku s medicínou a snaží se porozumět procesům tření a opotřebení v živých organismech. Multioborovost k výzkumu přitáhla i Daniela Němečka, který za svůj výzkum získal ocenění Brno Ph.D. Talent a uspěl také v Ceně Wernera von Siemense.

„Nechtěl jsem dělat čistou strojařinu, lákalo mě něco s přesahem. Biotribologie je takový úkrok od inženýrství do medicíny,“ říká doktorand Daniel Němeček z Ústavu konstruování, který se oblasti věnuje už od bakaláře. Tehdy testoval kyčelní náhrady s texturovaným povrchem, později se posunul k hydrogelům, které mají ambici napodobit přirozenou chrupavku.

„Hydrogel je materiál na bázi vody, stejně tak chrupavka je z velké části tvořena vodou, takže se ji snažíme napodobit. Z hlediska tření jsme s hydrogely schopni dosáhnout velmi podobných hodnot jako u chrupavky, ale zásadní problém je jejich pevnost a opotřebení. Hydrogel se může poškodit během velmi krátké doby, zatímco chrupavka funguje desítky let,“ vysvětluje Němeček.

Právě tato disproporce je jednou z velkých neznámých současného výzkumu. „Ty materiály se na první pohled chovají podobně, ale v klíčových vlastnostech se liší. Rád bych věděl, co nám uniká, co je ten zásadní mechanismus,“ přemítá Němeček.

Výzkum kloubních implantátů, kterému se biotribologové z VUT věnují, přitom zdaleka nekončí u jednoho typu materiálu. Paralelně běží několik směrů výzkumu – od možných povrchových úprav implantátů přes zmíněné hydrogely až po využití takzvaných 2D nanomateriálů, které mají potenciál výrazně snížit tření i opotřebení. „2D materiál si lze představit jako tenký list papíru, ale padesát tisíckrát až sto tisíckrát menší. Pokud se podaří jej vhodně zakomponovat do kovových náhrad, může zásadně změnit jejich vlastnosti a významně tak prodloužit životnost implantátů,“ vysvětluje Němečkův školitel David Nečas.

Právě na výzkum 2D materiálů je navázán projekt Grantové agentury ČR, který Nečas vede a do něhož spadá také Němečkova disertace a jeho projekt Brno Ph.D. Talent. Motivace je zřejmá: současné kloubní náhrady mají omezenou životnost a u části pacientů je nutná reoperace. „Implantát vydrží řádově deset, dvacet let. Zhruba pět až deset procent všech operací velkých kloubů proto tvoří revizní zákroky. Ty jsou náročnější, dražší a pro pacienty představují velkou zátěž jak psychickou, tak i zdravotní,“ říká Nečas.

Téma má doslova globální rozměr. Každoročně se ve světě provádějí miliony náhrad kyčlí a kolen. S postupným stárnutím populace jejich počet dále poroste, přičemž další významný nárůst lze očekávat díky stále dostupnější péči v zemích jako jsou Indie nebo Čína. „V relativně blízké budoucnosti se tak může jednat o desítky milionů operací ročně. Jakékoliv zlepšení životnosti implantátů má tedy obrovský celosvětový dopad,“ upozorňuje Nečas.

David Nečas se ve své práci řídí tím, co pochopil během vlastního doktorátu: věda je o spolupráci, a to ideálně mezinárodní. I proto letos na jaře ve spolupráci s kolegy z Imperial College v Londýně, Technické univerzity ve Vídni, Leibnizovy univerzity v Hannoveru a průmyslovými partnery připravil projekt Horizon Europe. „Pokud chceme být mezi špičkou, musíme spolupracovat s těmi nejlepšími. Tento projekt je zaměřený nejen na výzkum, ale i na rozvoj týmu a podporu mladých vědců,“ vysvětluje Nečas. Součástí mají být stáže, workshopy a intenzivní výměna zkušeností.

Pro Daniela Němečka je právě mezinárodní přesah spolu s multioborovostí jednou z hlavních motivací, proč se pustil do doktorského studia. Pokud s projektem uspějí, dostane šanci spolupracovat s elitami svého oboru. I on tak doufá v kladný výsledek. „Baví mě setkávat se s inspirativními lidmi. Nechtěl bych být zavřený jen v kanceláři nebo v laboratoři,“ říká nositel ocenění Brno Ph.D. Talent, které vnímá jako potvrzení správného směru. „Je to povzbuzení, že to, co dělám, má smysl.“

Vedle výzkumu nových materiálů řeší výzkumníci i obecnější tribologické otázky. Jednou z nich je takzvaná superlubricita – stav extrémně nízkého tření – v kloubech, ale i ve strojích. „V laboratorních podmínkách ji dnes již umíme dosáhnout. Největší výzvou je přenést tyto poznatky z mikrosvěta do makrosvěta. I zde je obrovský potenciál, protože podle odhadů se až čtvrtina veškeré vyrobené energie ztrácí právě kvůli tření a opotřebení. Pokud bychom dokázali dosáhnout superlubricity ve strojích, staneme se jako planeta ve využití energie zásadně efektivnější,“ uzavírá Nečas.

(ivu)