Замещение крупных дефектов костной ткани является одной из наиболее актуальных проблем современных реконструктивных операций в травматологии и ортопедии.В большинстве случаев подобные дефекты сопряжены со значительной патологией костей вследствие тяжелых травм (многооскольчатые переломы, огнестрельные повреждения), заболеваний (костные опухоли, тяжелые деформации суставов) и их осложнений (посттравматический остеомиелит, ревизионные оперативные вмешательства)[3, 9].
Традиционно для пластических целей используют множество видов трансплантатов из биоматериалов. В 1983 P.M. Galletti и J.W. Boretos определили данные материалы как любые натуральные или искусственные вещества, а также их комбинации, которые не являясь лекарственными средствами, могут на постоянной или временной основе дополнять или замещать любую ткань, орган или функцию организма или оказывать лечебное воздействие [17]. Идеальные вещества, применяемые для замещения дефектов, должны быть биологически совместимы, не вызывать выраженного иммунного ответа, приводящего к отторжению материала, не вызывать токсических, аллергических и клеточных реакций, механические свойства вещества должны быть близкими к свойствам костной ткани, при их использовании необходимо учитывать изменения физико-химических свойств материалов в процессе предоперационной подготовки (стерилизации) и функционирования в агрессивной биологической среде, они должны быть относительно дешевы и удобны в применении [1, 4, 6, 7, 26].
Различают материалы биологического происхождения, к которым относят ауто- и аллотрансплантаты, и полученные искусственным путем, включающие металлы, полимеры, керамику, а также композитные материалы [1, 6, 9, 26]. Каждый из видов трансплантатов имеют свои преимущества и недостатки. Биологический пластический материал, в отличие от синтетических, имеет наиболее близкие к здоровой кости физико-химические свойства. Признанным «золотым стандартом» при замещении костных дефектов является трансплантат, взятый у оперируемого пациента (аутотрансплантат), он наиболее близок по физико-химическим и биологическим свойствам в кости, у него минимальный риск передачи болезнетворных агентов и возникновения антигенных реакций. Однако, его применение сопряжено с необходимостью расширения оперативного вмешательства, что наносит дополнительную травму больному, увеличивает риск общехирургических осложнений (гематом, инфекционных осложнений, повреждения кожных нервов, косметический дефект). К тому же объем взятой кости ограничен и не всегда является достаточным для ликвидации крупных дефектов. При их использовании сложно добиться идеального заполнения костного дефекта. Если материал берется у другого человека (алло- или гомотрансплантация), то есть вероятность возникновения иммунологического конфликта с возникновением реакции отторжения, остается потенциальный риск передачи болезнетворных агентов, имеется проблема неконтролируемой резорбции данного материала. Нельзя не отметить то, что получение, хранение и транспортировка данного вида трансплантатов сопряжена с рядом трудностей технического и социально-правового порядка. Положительной стороной данного способа ликвидации костных дефектов является отсутствие необходимости расширения операции, что уменьшает травматичность хирургической манипуляции, возможность заполнять большие полости, лучшего косметического эффекта [1, 4, 6, 7, 8, 9].
Применение искусственных материалов является перспективным для использования в ортопедии и травматологии, поскольку они позволяют замещать относительно большие дефекты костей и мягких тканей, не сопровождаются увеличением травматичности хирургической манипуляции, являются биологически безопасными, по сравнению с аллотрансплантатами, позволяют избежать ряда юридических и социальных проблем. Однако, все эти материалы являются чужеродными для организма, их физико-химические свойства отличаются от тканей организма, их применение нередко сопровождаются теми или иными видами реактивных изменений биологических тканей [1, 4, 8, 26].
В медицине в качестве биоматериалов чаще всего используют металлы, керамику, полимеры и композитные вещества [4, 8, 9].
При применении искусственных материалов учитывают их остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства. Первые способствуют адгезии и связыванию остеогенных клеток, что обеспечивает образование новых сосудов, способствует процессам пролиферации и дифференцировки клеток, что в конечном итоге приводит к образованию связи с костной тканью, вторые -позволяют индуцировать дифференцировку клеток из окружающих тканей в остеообразующие. В идеале синтетический материал должен обладать и остеоиндуктивностью и остеокондуктивностью [4, 13].
Металлы являются наиболее ранними искусственными материалами, применяемыми в медицине. Так описано применение стального сплава для лечения перелома в 1804 году [9]. В настоящее время металлы и их сплавы являются основными для конструкций, используемых для фиксации костей при их сращении в ортопедической и травматологической практике, а также для изготовления искусственных суставов. Однако их химическая нестабильность, особенно в присутствии биологических жидкостей, богатых электролитами приводят к их разрушению в результате коррозии. Отмечен и ряд негативных биологических реакций. Так в литературе отмечена гиперчувствительность замедленного типа в сплавах, содержащих кобальт, хром или никель [12]. Считается, что ионы металлов, действуя как гаптены и связываясь с эндогенными или экзогенными белками приводят к развитию Т-клеточного иммунного ответа организма [18]. В литературе также описаны токсические действия кобальта и хрома на макрофаги [14], описаны единичные случаи отравления кобальтом в результате чрезмерного изнашивания узла трения эндопротеза [21], также имеются данные о неаллергической клеточной реакции на полимерные и металлические частицы дебриса, приводящие к развитию гранулемы с постепенным остеолизисом, что в конечном итоге приводит к нестабильности компонентов сустава [3, 9]. Большинство данных биологических реакций описаны при длительном нахождении металлических конструкций в организме человека. Основное направление разработки металлических имплантов направлено на нивелирование данных реакций, без изменения физико-химических свойств сплавов не только в период предоперационной подготовки, но и в процессе функционирования в организме реципиента. В настоящее время широко используются сплавы на основе железа, кобальта, титана, циркония, тантала [4, 8, 9]. В настоящее время металлические импланты для замещения дефектов применяются в ревизионном или осложненном первичном эндопротезировании. Применяют танталовый сплав в форме trabecularmetal, которая геометрически схожа с губчатой костью, обладает высокой биосовместимостью и из-за высокой пористости (80% пористого объема) создает хорошие условия для врастания костных трабекул [9]. Данное изделие остается в организме пожизненно, не замещаясь новой костью.
Другой группой синтетических веществ, используемых в медицине является биокерамика. В настоящее время это понятие включает вещества на основе кремния, углерода, фосфата или сульфата кальция [1, 4, 6, 7, 8, 9]. Они нашли широкое применение в качестве наполнителей к костным трансплантатам или остеозамещающим препаратам. Большинство биокерамических имплантов в зависимости от взаимодействия с биологической средой подразделяются на биоинертные, биологически активные и биодеградируемые группы [6, 7, 9, 27]. К первым относят импланты, используемые в эндопротезах, - это материалы на основе оксида алюминия или циркония. Они не изменяют свою форму, не взаимодействуют с окружающими тканями, их функционирование не сопровождается врастанием ткани. На границе данного биоматериала и кости образуется фиброзный слой, который дополнительно изолирует материал. Вторая группа при контакте с тканями постепенно изменяет свою форму, обрастая костью. Примером могут служить гидроксиапатитовые покрытия элементов эндопротезов. К третьей группе относят трикальцийфосфат, который при взаимодействии со средой организма полностью заменяется биологическими тканями [19, 20].
Для ликвидации костных дефектов наиболее приемлемыми являются биологически активные и биодеградируемые материалы. Чаще в литературе можно встретить описание использования таких биокерамических материалов на основе ортофосфата кальция [1, 4, 6, 7]. Данное вещество имеет наибольшее сродство с живыми тканями, поскольку является основой неорганического компонента твердых тканей организма. Наиболее существенным параметром в нем является ионное соотношение кальция и фосфора, что определяет его кислотность и растворимость в воде. Чем ниже данное ионное соотношение, тем более кислым, а значит и растворимым является соединение [2, 16]. По химическому строению чаще применяют ?-трикальций фосфат (?-ТКФ), ?-трикальций фосфат (?-ТКФ) в сочетании с гидроксиапатитом или аморфного фосфата кальция [24]. Данные вещества выпускают в виде порошков, гранул или блоков. Для лучшей биоактивности стремятся увеличить удельную поверхность и пористость изделия. Оптимальный размер пор при этом должен соответствовать 100 мкм, при котором рассасывание имплантируемого вещества приближается к скорости образования новой костной ткани. Улучшение остеоиндуктивных свойств придает добавление аутологической костной крошки, обогащенной коллагеном, костным мозгом или костным морфогенетическим протеином [9]. Недостатком биокерамики на основе ортофосфата кальция является его низкая механическая прочность, что не позволяет его использовать для ликвидации дефектов, испытывающих значительные механические нагрузки [1, 4, 9].
Лучшей механической прочностью обладают костные цементы на основе ортофосфата кальция. Они состоят из двух фракций, смешивание которых в организме в водной среде приводит к растворению части исходного вещества с последующей кристаллизацией менее растворимых ортофосфатов, что в последствии приводит к беспорядочному росту новых кристаллов, которые и образуют биокерамический монолит приобретая механическую прочность [9, 10]. Уже в первые 6 часов 80% исходного вещества трансформируются в конечный продукт прочность на сжатие которого к этому времени составляет 40 - 60 M Па [10]. В зависимости от фракций используются цементы, состоящие из сухих кислотных и щелочных смесей порошков или цементы, в которых исходные и конечные ортофосфаты кальция имеют одно и то же ионное соотношение Ca : Р. Данные гидравлические цементы обладают рядом преимуществ, поскольку являются биосовместимыми, биоактивными и биоразлагаемыми. Они хорошо заполняют полости, даже сложной формы, хорошо используются остеогенными клетками для ликвидации костных полостей. Однако они не обладают достаточными прочностными характеристиками для заполнения крупных полостей, что ограничивает их использование [10].
С 60-х годов прошлого столетия для замещения костных дефектов стали применять биокерамические импланты на основе углерода. Однако, они по сравнению с другими видами биокерамических изделий, обладали низкой механической прочностью, что ограничивало их использование в реконструктивной хирургии опорно-двигательной системы [8]. В настоящее время появилось новое поколение синтетических углеродных композиционных материалов и высокопористых ячеистых углеродов, механические свойства которых могут регулироваться в значительных пределах. Это позволяет индивидуализировать данный материал в зависимости от механических свойств нативной кости, в которой предполагается улучшить качество костно-углеродного блока [8]. У углеродных имплантов отмечена высокая способность к остеоинтеграции, они не токсичны, не выявлено отрицательных биологических реакций. Одним из отрицательных явлений данных материалов является хорошая тепло -и электропроводность, которая в условиях функционирования в организме в сочетании с металлами может приводить к коррозии (гальванический эффект) [9].
Необходимо отметить достаточно широкое применение объемных заменителей значительных дефектов костей в виде имплантатов заданной формы, изготовленных из пористых материалов на основе гидроксиапатита [22]. Механические характеристики подобных искусственных структур (скаффолдов) в зависимости от пористости могут варьироваться в широких пределах, что позволяет подобрать упругие и жесткостные свойства имплантат и обеспечить необходимую прочность всей биомеханической системы «кость-имплантат».
В настоящее время не существует идеальных синтетических материалов, которые удовлетворяли бы всем требованиям практической реконструктивной хирургии опорно-двигательного аппарата. Одним из вариантов решения проблем является синтез положительных качеств различных материалов. Наиболее перспективным направлением ее решения связано с инженерией костных тканей и механобиологией [25, 26]. Современные междисциплинарные подходы в биомедицинских науках направлены на изучение воздействия внешнего механического поля на живые ткани, рассматривают различные биоматериалы и биологически активные вещества с целью улучшения, замены или восстановления живых тканей и органов. Механический фактор оказывает стимулирующее и регулирующее воздействие на специфические клетки тканей, что приводит к запуску и развитию процессов структурной перестройки органа в макроскопическом масштабе. Актуальной задачей современной тканевой инженерии становится разработка математических моделей репаративной регенерации костной ткани в условиях реконструкции пористыми имплантатами и компьютерные исследования регулирующего влияния механической нагрузки периодического характера на процесс восстановления физико-механических свойств костной ткани в зоне протезирования [5].
Математическое моделирование может также предсказать поведение биорезорбируемых материалов в процессе регенерации костной ткани в объеме имплантата. Использование контролируемой биодеградации синтетических компонентов с «загруженными» в них биологически активными веществами позволяют имитировать биологические процессы восстановления костной ткани, что улучшает эффективность применения данного медицинского изделия, уменьшает негативные последствия и снижает его стоимость. Полученные в результате разработок пористые скаффолды, благодаря использованию клеток, обеспечивают биологическую совместимость.
Таким образом, проблема замещения костных полостей невозможна без решения проблем разработки, создания и условий применения синтетических имплантов. Большинство решений данных научных задач выходят далеко за пределы одной специальности. Современное развитие медицины, новых технологий, кибернетики позволят в будущем индивидуализировать подбор импланта в каждой конкретной клинической ситуации.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-29-04825.
Библиографическая ссылка
Кирпичев И.В., Маслов Л.Б., Коровин Д.И. АКТУАЛЬНЫЕ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПОРИСТЫХ ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ. // Современные проблемы науки и образования. 2016. № 1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=24045 (дата обращения: 07.04.2025).