Cement, który ma wspierać odbudowę kości. Wynalazek z PG potrójnie nagrodzony na targach w Kanadzie

Cement kojarzy się zwykle z budownictwem, ale w medycynie pod tą nazwą kryje się zupełnie inna grupa materiałów. Cement kostny może być przygotowany w postaci pasty, która po umieszczeniu w miejscu uszkodzenia kości twardnieje, wypełniając ubytek. Takie rozwiązanie szczególnie sprawdzi się w przypadku ubytków o nieregularnym kształcie. Zamiast dopasowywać gotowy implant do miejsca uszkodzenia, można wykorzystać materiał, który przed utwardzeniem dopasowuje się do dostępnej przestrzeni.

Nad takimi rozwiązaniami od kilku lat pracuje zespół pod kierunkiem dr inż. Marcina Wekwejta z Zakładu Technologii Biomateriałów Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej (czytaj także: Zastąpią ubytki kości i przyspieszą ich regenerację. Nowe funkcjonalne cementy kostne | Politechnika Gdańska). Opracowywane cementy łączą ceramikę fosforanowo-magnezową z naturalnymi hydrożelami, dzięki czemu możliwe jest jednoczesne kształtowanie ich właściwości aplikacyjnych, mechanicznych i biologicznych. 

Zachowaniem materiału można sterować na kilku poziomach

MG²-MULTISET Bone Cement jest kolejnym etapem rozwoju tej koncepcji. To wieloskładnikowy materiał, w którym obok cementu fosforanowo-magnezowego i gumy guar zastosowano m.in. boraks, węglan wapnia oraz sorbitol. 

– Każdy ze składników pełni inną rolę, a ich współdziałanie pozwala sterować procesem wiązania, konsystencją i końcowymi właściwościami cementu – mówi dr. inż. Marcin Wekwejt. – Nie jest to więc prosty układ typu „ceramika plus polimer”. Podczas utwardzania równolegle rozwija się mineralna struktura cementu oraz sieć polimerowa hydrożelu. Boraks uczestniczy w sieciowaniu gumy guar i jednocześnie wpływa na przebieg reakcji cementu, sorbitol modyfikuje właściwości pasty, natomiast układ zawierający węglan wapnia wpływa na rozwój faz mineralnych. Dzięki temu zachowaniem materiału można sterować na kilku poziomach: od przygotowania i aplikacji pasty, przez proces jej utwardzania, aż po strukturę związanego cementu – tłumaczy.

Już nie tylko wypełnianie ubytku, ale i inne zadania

Współczesne cementy kostne mają coraz bardziej zaawansowane zadania. Nie chodzi już wyłącznie o mechaniczne wypełnienie ubytku. 

– Materiał powinien być łatwy do przygotowania i podania, zachowywać spójność po kontakcie z płynami oraz utwardzać się w odpowiednim czasie. Równocześnie musi dobrze funkcjonować w złożonym środowisku biologicznym – mówi naukowiec. – Dlatego przy opracowywaniu MG²-MULTISET Bone Cement analizowaliśmy nie pojedynczą cechę materiału, lecz zależności pomiędzy jego składem, zachowaniem podczas aplikacji i wiązania, strukturą, degradacją oraz odpowiedzią biologiczną. 

Takie podejście pozwala lepiej zrozumieć, jak zmiana jednego składnika wpływa na cały układ i które parametry można skutecznie kontrolować na etapie projektowania cementu.

– Największym wyzwaniem przy projektowaniu takich materiałów jest to, że poszczególnych właściwości nie można traktować niezależnie – podkreśla dr inż. Wekwejt. – Zmieniając jeden element składu, możemy jednocześnie wpłynąć na konsystencję, przebieg wiązania czy strukturę cementu. Dlatego zależy nam przede wszystkim na zrozumieniu tych zależności i coraz bardziej świadomym projektowaniu całego układu.

Srebrny medal i dwie nagrody

MG²-MULTISET Bone Cement został zgłoszony do 11. edycji International Invention Innovation Competition in Canada (iCAN2026). Rozwiązanie z PG zdobyło srebrny medal iCAN2026, a także dwie nagrody specjalne: Macao Innovation and Invention Association Special Award oraz Korea Invention Academy Special Award.

– Takie wyróżnienia są dla nas potwierdzeniem, że rozwijany kierunek badań jest interesujący również poza naszym bezpośrednim środowiskiem naukowym. Szczególnie cieszy mnie, że jest to rezultat współpracy interdyscyplinarnej i zaangażowania studentów w rzeczywiste prace badawcze i wynalazcze – podkreśla dr inż. Marcin Wekwejt.

Współtwórcami nagrodzonego rozwiązania byli inż. Anna Melnyk z Koła Naukowego PG „Materiały w Medycynie”, dr hab. n. chem. Justyna Kozłowska, prof. UMK z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz dr hab. n. med. Anna Ronowska z Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego.

Zaangażowanie studentów w badania

Rozwiązanie wpisuje się w szerszy kierunek badań prowadzonych przez dr. inż. Marcina Wekwejta w ramach projektu PLUTONIUM (IDUB PG). Równolegle rozwijany był także projekt „Wsparcie studentów w zakresie podniesienia ich kompetencji i umiejętności” (MNiSW, FERS), umożliwiający studentom aktywne uczestnictwo w badaniach nad nowymi biomateriałami oraz rozwój kompetencji naukowych i praktycznych (czytaj także: Studenci rozwiną umiejętności w obszarze inżynierii biomateriałów | Politechnika Gdańska). Inż. Anna Melnyk uczestniczyła m.in. w opracowywaniu formulacji, prowadzeniu eksperymentów, analizie wyników i rozwijaniu kolejnych koncepcji materiałowych. Brała również udział w sesjach mentorsko-naukowych oraz licznych szkoleniach i warsztatach rozwijających kompetencje badawcze oraz praktyczne umiejętności pracy laboratoryjnej. 

Od pojedynczej receptury do platformy materiałowej

MG²-MULTISET Bone Cement nie jest pojedynczym eksperymentem, lecz kolejnym elementem rozwijanej na Politechnice Gdańskiej platformy ceramiczno-polimerowych cementów kostnych. 

– W kolejnych projektach sprawdzamy, w jaki sposób różne hydrożele i dodatki wpływają na przebieg wiązania cementu, jego konsystencję, spójność, wstrzykiwalność, degradację i odpowiedź biologiczną. Celem nie jest więc stworzenie jednej „idealnej” receptury, ale zrozumienie zależności między składem a właściwościami materiału i wykorzystanie tej wiedzy do projektowania kolejnych wariantów cementów – zapowiada kierownik prac badawczych.

Przypomnijmy, że w ubiegłym roku dwa inne rozwiązania zespołu: DuoSet-SaMgCem oraz MgCarraGelCem zostały nagrodzone podczas iCAN2025, zdobywając odpowiednio złoty i srebrny medal oraz dodatkowe nagrody specjalne (Innowacyjne cementy kostne z PG nagrodzone na międzynarodowych targach iCAN2025 | Politechnika Gdańska). MG²-MULTISET rozwija ten kierunek wprowadzając bardziej złożony, wieloskładnikowy sposób sterowania procesem wiązania i właściwościami materiału.

Wynalazcy z 55 krajów i regionów

International Invention Innovation Competition w Kanadzie to międzynarodowy konkurs wynalazków i innowacji organizowany przez Toronto International Society of Innovation & Advanced Skills. W 2026 r. odbyła się jego 11. edycja, w której uczestniczyli przedstawiciele 55 krajów i regionów świata. Konkurs gromadzi naukowców, wynalazców, studentów oraz twórców nowych technologii. Prezentowane rozwiązania obejmują szerokie spektrum dziedzin, od inżynierii i nowych materiałów po medycynę i technologie związane ze zdrowiem. Oprócz medali konkursowych projekty mogą otrzymać również nagrody specjalne przyznawane przez partnerskie organizacje wynalazcze z różnych części świata.

Projektowanie kolejnych generacji cementów kostnych

Dla zespołu z Politechniki Gdańskiej tegoroczne wyróżnienia są kolejnym etapem rozwoju technologii. Dalsze prace trwają i będą koncentrować się na optymalizacji składu, lepszym poznaniu mechanizmów zachodzących podczas wiązania oraz ocenie materiałów w bardziej wymagających modelach biologicznych.

– Każda kolejna formulacja odpowiada nam na część pytań, ale jednocześnie otwiera następne. Właśnie to jest w tych badaniach najciekawsze. Im lepiej rozumiemy zależności między poszczególnymi składnikami, tym bardziej świadomie możemy projektować kolejne generacje cementów kostnych  – podsumowuje dr inż. Marcin Wekwejt.