Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

SYNTHETIC MATERIALS USED IN DENTISTRY TO FILL BONE DEFECTS

Ivanov S. Y. 1 Mukhametshin R. F. 1 Muraev A. A. 1 Bonartsev A. P. 2 Rabova V. M. 1
1 GBOU VPO "Nizhny Novgorod State Medical Academy," Health Ministry of Russia
2 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, Department of Bioengineering
An analysis of domestic and foreign sources of literature, reflecting the positive and negative characteristics of materials used in modern dental practice to fill bone defects, had done. The need for bone substitute materials has been increased due to teeth lost, trauma, tumor and esthetic bone surgery. Various types of bone grafts have been developed to repair craniofacial bone defects over many years. The importance of developing a new generation of synthetic material to replace bone defects is emphasised. Synthetic materials on the basis of artificial HAP surpass HAP of animal origin by a number of features. They exclude the possibility of carrying communicable diseases, enable to regulate the speed of resorption due to peculiar features of the synthesis, various phosphate and hydroxyl group replacements within the apatite structure. This characterizes synthetic HAP as a promising osteoplastic material to be used in all areas of bone reconstructive surgery.
synthetic material
the defects of bone.
В современной хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии активно используются различные материалы для замещения и восстановления костной ткани. По происхождению все остеопластические материалы делятся на 4 группы: аутогенные (донором является сам пациент), аллогенные (донором является другой человек), ксеногенные (донором является животное) и синтетические (на основе солей кальция).

Достигнутые успехи в разработке ксеногенных и синтетических биоматериалов, обладающих остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, позволяют уменьшить применение методов ауто- и аллотрансплантации, обладающих определенным рядом недостатков. Забор аутокости может сопровождаться осложнениями: повреждением сосудов и нервов, образованием гематом, развитием инфекционно-воспалительного процесса. Кроме того, аутотрансплантаты часто резорбируются быстрее, чем происходит их интеграция и восстановление костного дефекта [22]. Костные аллоимплантаты, напротив, отличаются медленной остеоинтеграцией, при их использовании имеется риск передачи от донора к реципиенту различных заболеваний бактериальной или вирусной этиологии, возможностью развития реакции гистонесовместимости и хронического гранулемотозного воспаления [1].

Основным недостатком синтетических материалов, в отличие от ауто-, алло- и некоторых ксеноматериалов, является отсутствие у них свойств остеоиндукции. Термином «остеоиндукция» некоторые авторы определяют способность остеопластического материала вызывать эктопическое (вне кости) формирование костной ткани de novo. Однако, по нашему мнению, к остеоиндукции костезамещающих материалов следует относить их способность стимулировать регенерацию костной ткани. Такая биологическая активность может быть обусловлена включением в состав костезамещающего материала сульфатированных гликозаминогликанов (Остеопласт-К), аминокислот (PepGen-15), факторов роста и морфогенов (InductOs® (UK), Osigraft® (UK)). Способность вызывать эктопический остеогенез характерна для ряда представителей семейства костных морофогенетических белков (от англ. bone morfogenic protein - BMP) и впервые была продемонстрирована M.R. Urist в 1965 г. [28]. Основное индуцирующее действие BMP включает влияние их на пролиферацию остеобластов, на дифферецировку мезенхимальных клеток предшественников в остеогенном направлении и на ангиогенез.

Развития новых медицинских технологий позволяет использовать достижения материаловедения, биохимии, молекулярной биологии и генной инженерии при создании новых комбинированных синтетичесих материалов для костной пластики. Модификация их объёмной структуру, приближающая их строение к костной ткани, включение в состав цитокинов: факторов роста и морфогенов, позволяет наделять синтетические материалы, кроме остеокондуктивных, остеоиндуктивными свойствами. Это также позволяет контролировать скорость биодеградации, приближая её к кинетике остеогенеза.

В настоящем обзоре предпринята попытка обобщить и проанализировать результаты исследований и разработок в области синтетических костезамещающих материалов.

Синтетические резорбируемые материалы были предназначены в качестве недорогой замены естественному гидроксиапатиту (ГАП) [27]. К синтетическим имплантационным материалам относят: различные виды кальций-фосфатной керамики: трикальцийфосфат (Vitlokit, Ceramit), биостекло (PerioGlass, BioGran), гидроксиапатит (ГАП) и его композиции с коллагеном, сульфатированными гликозаминогликанами-кератан и хондроитин-сульфатом (Биоимплантат), а также с сульфатом (Haspet) и с фосфатом кальция [2; 4]. В настоящее время на основе ГАП создано множество различных форм в виде пористых наноструктурированных кальций-фосфатных керамик, костных цементов, биогибридных и биокомпозитных соединений.

Синтетические материалы на основе искусственного ГАП по ряду характеристик превосходят ГАП животного происхождения. Они исключают возможность переноса инфекционных заболеваний, позволяют регулировать скорость резорбции за счет особенностей синтеза, различных замещений фосфатных и гидроксильных групп в структуре апатита. Это характеризует синтетический ГАП как перспективный остеопластический материал для использования во всех областях костно-пластической хирургии.

Синтетические препараты различаются по степени диссоциации и рассасыванию, которые в большей степени связаны с количеством образуемой межклеточной жидкости и деятельности остеокластов. К материалам с низкой степенью диссоциации и резорбции можно отнести некоторые препараты синтетического гранулированного гидроксиапатита, биостекла и биоситалла [5].

Из резорбируемых, растворимых и имеющих высокую степень диссоциации, а, следовательно, и высокую степень метаболической активности, материалов можно назвать трикальций-фосфат и сульфат кальция [6].

Кальций-фосфатные материалы (трикальций-фосфат) относятся к биоактивным материалам, способствующим образованию на их поверхности новообразованной кости и формированию с последней прочных химических связей. Эти биоматериалы способствуют прикреплению, пролиферации, миграции и фенотипической экспрессии костных клеток, что приводит к аппозиционному росту кости на поверхности имплантата. Так же они способны адсорбировать протеины стимулирующие функцию остеокластов и остеобластов и ингибирующие функцию конкурирующих клеток, в частности фибробластов, ответственных за формирование соединительной ткани [18; 26; 12].

Несмотря на указанные положительные биологические свойства, недостатком большинства кальций-фосфатных материалов является слабая механическая прочность, медленная резорбция в тканях организма.

Керамические материалы. Синтетический ГАП используется в виде непористой (нерезорбируемой) и пористой (резорбируемой) керамики [10; 19; 24].

Непористая керамика (Osteograph/LD, PermaRidg, Calcitte, Interpore 200, Durapatite) в течение длительного времени в организме как бы «замуровывается костью». Непосредственно в области занятой материалом остеогенеза не происходит.

Пористая ГАП керамика (Osteograph/LD, PHA Interpore 200, Алгипор) является остеокондуктором, то есть проводником регенерата, который прорастает имплантат. Одной из применяемой форм пористой керамики является ее гранулят. В основе биологических эффектов при имплантации гранулята высокотемпературной керамики (Osteograph/LD, OsteoGen, Гидроксиапол) в костные дефекты лежит прорастание соединительной ткани, и в ее составе остеогенных элементов, в межгранулярные простанства. Это послужило основанием для использования данного материала в качестве покрытия эндопротезов, конструкций для остеосинтеза, дентальных имплантатов. Наиболее интенсивно процесс протекает преимущественно у поверхности конгломератов частиц ГАП вблизи источников остеогенного ростка (стенки костного дефекта).

Наноразмерный ГАП. В костной ткани ГАП присутствует в виде наноразмерных кристаллов, поэтому следующим этапом развития материалов на основе ФК и ГАП стало создание нанокристаллов. Нанокристаллы ФК обладают двумя важнейшими для физиологии костной ткани качествами: они находятся в динамическом равновесии с биологическим окружением в цикле ремоделирования (резорбции/минерализации) и проявляют высокий уровень механических свойств. Нанокристаллический ГАП (нано-ГАП) обладает повышенной способностью адсорбировать белки, необходимые для жизнедеятельности клеток, а также избирательностью по отношению к функциям клеток, образующих костную и фиброзную ткани [16]. В работе на модели гетеротопической имплантации нано-гидроксиапатита показано, что некоторые кальций-фосфатные материалы обладают остеоиндуктивными свойствами, которые в значительной степени определяются геометрической характеристикой материала [20; 21].

Проведенные ранее доклинические испытания показали, что наноструктурный ГА (нано-ГА), полученный при температурах до 60 °С, обладает существенно большей способностью стимулировать репаративный остеогенез по сравнению с поликристаллическим (высокотемпературным) аналогом [8; 3]. Нанокристаллы биологического ГА придают кости твердость и жесткость, в то время как волокна коллагена обеспечивают эластичность и высокую трещиностойкость, а также необходимую скорость резорбции и обновления костной ткани [29; 11].

Комбинированные синтетические материалы. Использование в клинической практике мелкодисперстных форм материала неудобно. Поэтому создаются комбинированные формы, состоящие из полимерной матрицы (на основе полилактида, полиоксибутирата, полигликолевой кислоты и их комбинаций) и нано-гидроксиапатита как наполнителя. Появление композитов из синтетического ГАП в форме порошков, гранул и гелей в сочетании с полисахаридами хитозаном, альгинатом [7], гиалуроновой кислотой, белком коллагеном, пептидами [14], эмбриональными стволовыми клетками [30], лекарственными и другими препаратами расширило возможности восстановления патологически измененных минерализованных тканей [13; 15; 17].

Костные морфогенетические белки (BMP) являются истинными остеоиндукторами и способны вызывать образование эктопической костной ткани. Сочетание BMP с биоматериалами, которые могут доставлять белок, продемонстрировали максимальный терапевтический эффект BMP. Гидроксиапатит с его остеокондуктивными свойствами является наилучшим носителем для BMP. Как показали исследования Rohanizadeh, лучшим способом  их сочетания, является включение BMP в состав гидроксиапатита [23].

Показано, что кальций-фосфатная паста (α-BSM; ETEX, Cambridge, MA) в сочетании с rhBMP-2 ускоряет заживление костной ткани и приводит к восстановлению механических свойств, эквивалентных нормальной кости. В экспериментальной модели, на малоберцовой кости приматов, при остеотомии, применение пасты rhBMP-2/α-BSM ускоряло заживление кости примерно на 40 % [25].

CAD/CAM технологии активно используются в стоматологии для изготовления вкладок, виниров, коронок и мостовидных коронок при восстановлении зубов. Для возмещения костных дефектов челюстей и лицевых костей сложной формы, компьютерное моделирование и изготовление имплантатов является перспективной технологией.

В экспериментальной работе на животных [9] продемонстрированы интересные результаты по восстановлению костных дефектов альвеолярного отростка ВЧ с использованием керамических имплантов, изготовленных методом объемной печати. Имплантаты имели равномерную микроархитектонику с величиной пор 120±20 µм и по форме полностью соответствовали сформированным дефектам. Остеоиндуктивные свойства были обусловлены введением в состав имплантата BMP-2.  Полученные в работе данные показывают, что керамические материалы на основе ГАП, изготовленные методами объемного прототипирования в комбинации с морфогенетическими белками, имеют реальные возможности применения для костной тканевой инженерии, с основным преимуществом  - полностью настраиваемой 3D-структурой и формой.

Таким образом, анализ доступной литературы позволяет сделать вывод, что разработка новых костнопластических материалов преследует 2 основные цели - оптимизация регенерации костной ткани и восстановление костных дефектов. Очевидно, что в перспективе для восстановления костных дефектов методами 3D прототипирования, будут создаваться индивидуальные  искусственные керамические имплантаты на основе ГАП, содержащие комбинацию факторов роста и морфогенов, например, BMP и VEGF. Возможно, именно такой подход позволит эффективно осуществлять биоинженерию костной ткани в различных клинических ситуациях.

Рецензенты:

Гажва Светлана Иосифовна, д-р мед. наук, профессор, заведующая кафедрой стоматологии ФПКВ ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия», г. Нижний Новгород.

Казарина Лариса Николаевна, д-р мед. наук, профессор, заведующая кафедрой пропедевтической стоматологии ФПКВ ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия», г. Нижний Новгород.