CC BY
76
УДК 620.1:616-7:617-7
И. С. Разина, В. И. Чернова, М. А. Колоколов, И. Н. Мусин
ОЦЕНКА ДИФФУЗИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ ОСТЕОСИНТЕЗА В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Ключевые слова: остеосинтез, имплантат, диффузия полимерные материалы, медицина.
Современная реконструктивная хирургия не мыслится без широкого использования пластического замещения дефектов костей и суставов. Простота имплантации искусственных материалов, уменьшение травматич-ности и длительности вмешательства создали определённую альтернативу костно-пластическим операциям. Современные материалы, применяемые для замещения дефектов костей, достаточно хорошо себя зарекомендовали. Вместе с тем, один из основных моментов, возможность получения единой биомеханической системы кость-имплантат, остаётся до конца не решённым.
Keywords: osteosynthesis, implant, diffusion polymeric materials, medicine.
Modern reconstructive surgery can not be thought without the extensive use ofplastic replacement of defects of bones and joints. Ease of implantation of artificial materials, reducing trauma and duration of the intervention created a certain alternative to osteoplastic operations. Modern materials used to fill bone defects, is well proven. However, one of the highlights, the possibility of a unified biomechanical system bone-implant remains without a final solution.
Введение
Современная реконструктивная хирургия не мыслится без широкого использования пластического замещения дефектов костей и суставов. Простота имплантации искусственных материалов, уменьшение травматичности и длительности вмешательства создали определённую альтернативу костнопластическим операциям [1].
Современные материалы, применяемые для замещения дефектов костей, достаточно хорошо себя зарекомендовали. Вместе с тем, один из основных моментов, возможность получения единой биомеханической системы кость-имплантат, остаётся до конца не решённым
К современным материалам, используемым для замещения костной ткани, предъявляют большие требования. Они должны быть инертны по отношению к живым тканям, не канцерогенны, иметь достаточный запас механической прочности, быть стойкими к воздействию внутренней среды организма [2].
Функционирование имплантатов протекает в условиях действия на их поверхность тканевой жидкости, крови, лимфы и других жидких компонентов, присутствующих в структурах организма. Данные жидкости имеют водную основу и обладают свойствами электролитов, оказывая на покрытия имплантатов коррозионное воздействие [3, 4]. Протекающие анодные процессы, характеризуются ионизацией атомов применяемых имплантатов, диффузией ионов в окружающую биосреду с развитием металлоза [5-7]. Вследствие этого изменяются состав и свойства поверхности имплантата, а также происходит нарушение нормальных клеточных процессов в биоструктурах, возникает опасность развития воспалительных явлений и отторжения имплан-тата [8-11].
Разработка новых материалов медицинского назначения, предназначенных для контакта со сре-
дой живого организма, представляет собой задачу высокой сложности. Сегодня особо востребованы специализированные биосовместимые материалы для ортопедии.
Материалы, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств, получили название «биоматериалы». Перечень материалов, получение которых актуально для развития и совершенствования восстановительной хирургии, включает разнообразные материалы и композиты с различными функциональными характеристиками и базовыми свойствами [12].
«Идеальным» фиксатором следует считать тот, который с минимальной дополнительной травмой мягких и костной тканей сохраняет неподвижность отломков и осколков, обеспечивает функцию и опороспособность поврежденной конечности на всем периоде лечения.
В любом случае фиксаторы должны быть изготовлены из биологически, физически и химически инертных материалов. Наиболее применимыми в медицине являются конструкции из нержавеющей стали, виталлия, титана, иногда из кости и инертных пластмасс. Металлические фиксаторы, как правило, после сращения перелома удаляют. В прошлом при изготовлении фиксаторов из некачественной стали или других металлов наблюдался так называемый металлоз в результате химического взаимодействия металлов с тканями и жидкостями организма.
Конструкция фиксаторов должна быть математически обоснованной. Следует учитывать, что при действии переменных напряжений разрушение материала происходит при напряжениях значительно меньших, чем предельные напряжения при однократной статической нагрузке. Поэтому возможны ситуации, когда либо сам фиксатор не выдерживает длительной динамической нагрузки, либо сопротивляемость кости в месте контакта с фиксатором оказывается ниже, чем напряжение. При создании фик-
сатора нужно знать величину, точку приложения, направление смещающих фрагменты сил, моменты сил и векторную величину равнодействующей. Нужно знать и прочностные характеристики ти [13].
В травматологии и ортопедии для пластических целей и оптимизации остеогенеза используют материалы биологического и небиологического происхождения.
В работе рассмотрены небиологические материалы. Они открывают новые возможности в решении сложных вопросов костной пластики. Условно их можно разделить на биологически активные и биологически неактивные. К биологически неактивным относятся изделия из корундовой и циркониевой керамики, полимеры (БРП) и углеродные им-плантаты. Эти изделия используются либо в качестве фиксаторов, либо протезов. Перечисленные материалы инертны, влияние на остеогенез не оказывают, но возможно взаимодействие некоторых из них с костным ложем, что повышает их ценность при использовании в качестве материалов, замещающих кость [14]. Рассмотрим подробно некоторые из них.
Стальные имплантаты
Наиболее часто применяемыми металлическими материалами для изготовления временных чрескостных ортопедических имплантатов являются нержавеющие хромоникелевые стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, обладающие требуемыми механическими свойствами и высоким уровнем биоинертности [15].
Стальные имплантаты и штифты широко применяются в ортопедической хирургии для восстановления костной структуры. Однако у 71% пациентов с имплантатами возникают инфекции, нередко приводящие к тяжёлым осложнениям, таким как остеомиелит. Терапию инфекций затрудняет образование на поверхности имплантатов биоплёнок, защищающих бактерии от воздействия клеток иммунной системы организма и антибиотиков. Так, согласно данным литературы, необходимы в 5005000 раз более высокие концентрации антибиотиков для достижения эффекта на микроорганизмы в составе биоплёнки [16].
Входящие в состав стальных имплантатов токсические агенты могут поступать в окружающие ткани не только в результате коррозии, но и механического разрушения, особенно при трении металла с костной тканью и другими поверхностями. При этом выход вредных веществ может увеличиваться в 100 раз по сравнению с обычной коррозией. Это может быть причиной возникновения металлозов, аллергических и воспалительных реакций вокруг стальных имплантатов.
Имплантаты из полимеров
В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч различных видов медицинских изделий. Химическая промышленность выпускает различные полимеры с точным соблюдением тех требований, которые к ним предъявляют [17, 18]. Однако специальных полимеров для применения в медицине выпускается пока еще мало. Первостепенной задачей является разработка техни-
ческих условий на «медицинские чистые» полимеры, которые не оказывали бы вредного действия на организм человека.
Остеосинтез полимерами должен удовлетворять всем основным требованиям, предъявляемым вообще к любому виду остеосинтеза. Кроме того, определены допустимые характеристики, которым должны соответствовать полимерные им-плантаты. Это, прежде всего, достаточная для фиксации отломков костей прочность полимеров и относительная стабильность их физико-механических параметров до завершения процессов консолидации переломов. Во-вторых, необходима биологическая совместимость полимеров с окружающими тканями организма и биологическая инертность при их внутритканевой имплантации. Третьим важным требованием является способность полимерных фиксаторов постепенно рассасываться и замещаться структурно и функционально полноценными биологическими тканями. При этом низкомолекулярные продукты биодеструкции и биодеградации в процессе старения полимеров не должны обладать общими или местными токсическими, аллергическими или канцерогенными свойствами. Использование полимерных фиксаторов при остеосинтезе вполне допустимо, если они или их компоненты при рассасывании не замедляют процессы репаративной регенерации костной ткани. Полимерные фиксаторы должны также быть технологичными, т. е. простыми и доступными в изготовлении, при стерилизации и применении при остеосинтезе. Желательно, чтобы полимерные материалы для остеосинтеза обладали бактерицидными свойствами и содержали вещества, стимулирующие остеорепарацию [19].
Нынешнее поколение биоразлагаемых полимерных имплантатов для остеосинтеза используют конструкции, скопированные с металлических имплантатов, что происходит из концепции, что устройства должны быть поддержкой и «Инертной» заменой костной ткани. Сегодня биоразлагаемые полимерные устройства для остеосинтеза успешно применяются в опорах с низкой или средней степенью нагрузки. Выбор между биоразлогаемыми и не разлагаемыми устройствами должен быть тщательно взвешен и зависит от многих факторов, таких как возраст пациента и состояние, тип перелома, риск заражения и т. д.
Недостатком полимеров является их иногда непредсказуемое взаимодействие с клетками и компонентами иммунной системы пациента, а также неконтролируемое время биодеградации в среде организма. Главные причины осложнений при использовании синтетических биодеградируемых материалов - возможные проявления негативных реакций (воспалительная, аллергическая) организма на продукты деструкции и проявление канцерогенно-сти [20].
Цирконевые имплантаты
Цирконий - биоинертный материал, не оказывающий токсического и раздражающего действия на мышечные и костные ткани.
В настоящее время в нашей стране освоено производство имплантатов из циркониевых сплавов
марок Э125 и Э110, которые не уступают лучшим зарубежным образцам. Использование имплантатов из циркониевых сплавов предоставляет ряд преимуществ:
-высокая коррозионная стойкость; -уникальная биосовместимость, отсутствие аллергических реакций, что позволяет использовать имплантаты без повторной хирургической операции по их извлечению;
-материал и технология изготовления обеспечивают требуемый комплекс прочностных свойств;
-сравнительно невысокая плотность сплава позволяет изготавливать имплантаты облегченной конструкции;
-хорошая пластичность обеспечивает более точную подгонку изгибом имплантата по контуру кости [21].
Изготовление в промышленных масштабах средств остеосинтеза и эндопротезов на основе циркония малоперспективно по причине дороговизны и дефицитности.
Углеродные материалы для имплантатов Углеродные материалы близки по прочностным характеристикам к костной ткани, по технологии изготовления они могут быть приближены как к спонгиозной кости, так и к кортикальной. В ряде случаев эти материалы способны замещаться костной тканью. Однако этот процесс длительный, поэтому при использовании этих имплантатов в ко-стно-пластических операциях обычно дополнительно применяется тот или иной вид костной пластики [22].
Недостатком углеродного материала является недостаточная стойкость к ударным нагрузкам и хрупкость.
Керамические имплантаты Керамические изделия медицинского назначения имеют биоактивное покрытие из нанострук-турированного гидроксиапатита и могут успешно применяться при хирургическом лечении заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата человека, а также в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
Биоинертность, отсутствие токсического влияния керамических материалов на организм, а также возможность изготавливать образцы любой величины и формы позволили широко использовать корундовую керамику в клинической практике. Наиболее широкое применение в медицине корундовые материалы нашли при замещении костей и суставов. В настоящее время керамические имплан-таты применяются практически во всех областях хирургической ортопедии.
Недостатком, ограничивающим применение керамики в остеосинтезе, является ее хрупкость и ломкость.
Исходя из этого, в большинстве случаев, керамику используют в качестве покрытия.
Имплантация в организм любого чужеродного металла вызывает воспалительную реакцию, которая является выражением защитной и репара-тивной функции соединительной ткани, направлен-
ной на ликвидацию или изоляцию повреждающего агента и восстановление повреждённых тканей [5, 23]. Интенсивность воспаления зависит от степени биосовместимости имплантируемых материалов. При наличии биосовместимости, местная реакция на инородное тело зависит от поверхностных свойств материала, формы имплантата, соотношения между площадью поверхности биоматериала и объёмом имплантата [9, 24].
Известно, что активность воспалительного процесса, связанного с имплантируемым материалом, так же в значительной степени зависит от физических и физико-химических свойств материала имплантата и его поверхности [11, 24]. Процессы, сопровождающиеся неконтролируемыми изменениями объёмных и поверхностных свойств материалов, могут изменять их биосовместимость [8, 9, 25].
В настоящий момент лечение больных с переломами проводится, в основном, методами стабильно-функционального остеосинтеза. При одном из данных методов соединяют костные отломки и закрепляют их неподвижно фиксирующими металлическими пластинами из титановых сплавов [26].
Титан в силу высокой механической прочности является предпочтительным материалом для ортопедии. Это связано, прежде всего, с тем, что титан характеризуется высоким пределом текучести и жесткости. В ортопедической практике при хирургии крупных костных дефектов могут возникать высокие напряжения, поэтому имплантируемый материал должен выдерживать эти напряжения, не проявляя остаточной деформации или разлома [27].
Экспериментальная часть
В работе было оценено биологическое действие имплантатов для остеосинтеза из различных материалов. Работу вели с использованием ГОСТ Р ИСО 10993 - 2009 «Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий».
Исследованы образцы из нержавеющий стали марки 12X18H10T (рис. 1), титан марки ОТ4 (рис. 2) и ВТ6 (рис. 3).
Химический состав и механические свойства образцов соответствуют ОСТ1 90201-75 «Прутки шлифованные и механически калиброванные из титановых сплавов» и ГОСТ 19807-91 «Титан и сплавы титановые деформируемые».
Стерилизацию осуществляли в шкафах-стерилизаторах марки ГП 20. Рабочая температура в стерилизационной камере - 180°С, время выдержки -60 мин.
Исследуемые пробы и контрольные образцы обработали в условиях, исключающих контаминацию. Экстракцию провели в чистых, химически инертных, герметичных емкостях, имеющих минимальное свободное пространство, в соответствии условиями процесса экстракции, т.к. она должна соответствовать свойствам и назначению готового к применению изделия, а также цели исследования. При выборе условий экстракции учитывали физико-химические свойства материалов изделия, вымываемых веществ.
с
Перо
Рис. 1 - Спица для скелетного вытяжения с упором
Рис. 2 - Титановая пластина марки ОТ4
Рис. 3 - Титановая пластина марки ВТ6
Продолжительность экстракции была достаточной (3 месяца) для максимального извлечения вещества.
Экстракцию провели с использованием полярной экстрагирующей жидкости - физиологического раствора (№С1 - хлорид натрия).
Проведен рентгенофлуоресцентный анализ полученных экспериментальных растворов на приборе S2 PICOFOX, который представляет собой стационарный настольный многоцелевой, автоматизированный прибор, обеспечивающий измерение, обработку и регистрацию выходной информации. Эксперимент проводился в центре коллективного пользования научным оборудованием по получению и исследованию наночастиц металлов, оксидов металлов и полимеров "Наноматериалы и нанотехно-логии" ФГБОУ ВПО «КНИТУ.
В ходе анализа были получены результаты, представленные в табл. 1.
Были проанализированы литературные данные по допустимой дозе токсических микроэлементов в живом организме.
Результаты анализа, которые были получены в результате данного эксперимента показали, что выделившиеся в результате эксперимента микроэлементы не превышают допустимую дозу их содержания в организме. Соответственно можно предположить, что использование имплантатов из исследуемой стали и титана в остеосинтезе -безопасно.
Таблица 1 - Оценочные концентрации компонентов в образцах, г/л
Выводы
Накопление металла в тканях может привести к развитию аллергической реакции, которая протекает, как правило, в виде реакции гиперчувствительности замедленного типа с преобладанием местных проявлений отторжения [10, 28, 29]. Развитие реакции может отмечаться в отдалённом периоде, что зачастую расценивается как «непонятное позднее нагноение» [6, 10].
Имеются данные, что сплавы титана, обладая низкой скоростью резорбции, с течением времени, накапливаясь в тканях организма, могут оказывать мутагенное действие [29, 30].
Проведенное исследование по оценки диффузии элементов имплантатов для остеосинтеза, показало, что наибольшей диффузии подвергается образец изготовленный из титана марки ОТ4 по сравнению с образцами из ВТ6 и 12Х18Н10Т, в раствор выделилось 1,5 г/л - Si, 23 г/л - О, 0,025 г/л -Ca, 0,006 г/л - Fe, 0,004 г/л ^п, 0,002 г/л - Вг. Диффузия образца зависит не только от химического состава образца, но и от формы. Форма пластинки титана, марки ОТ4, прямоугольная сплошная, из-за этого она будет подвергаться большему контакту с костными тканями, и соответственно в большей степени выделять в организм токсичные микроэлементы. Из полученных данных видно, что не один из выделившихся компонентов не превышают токсичную дозу содержания микроэлементов в организме.
Результаты проведенных исследований свидетельствуют об актуальности и практической значимости поиска путей минимизации негативных последствий контакта имплантатов с биологическими тканями. Перспективным, на наш взгляд, является разработка как способов модификации поверхностей имплантатов, контактирующих с биологическими средами, так и методов их фармакологической защиты от агрессивного воздействия биологических сред.
Оценочные компоненты Без образца (раствор хлорида натрия) Образец
Спица (нержавеющая сталь, марка 12Х18Н10Т) Пластина (титан, марка ОТ4) Пластина (титан, марка ВТ6)
1,3 1,3 1,5 1
а 17 17 23 27
Са - 0,01 0,025 -
Бе - 0,005 0,006 0,003
Си - 0,001 - -
Zn - 0,001 0,004 0,001
Вг 0,002 0,002 0,002 0,002
Литература
1. Новые углеродные материалы в реконструктивной хирургии костей и суставов [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.dslib.net, свободный.
2. Скрябин, В.Л. Эндопротезы из углеродного композиционного материала / В.Л. Скрябин. - Ярославль, 1993.-175с.
3. Р.Р. Шубкин, Р.Р. Татиатулин, В.К. Горчаковский, Е.П. Первышина Анналы травматологии и ортопедии, 2, 43-44 (1996).
4. Р. Schmutz The Electrochemical Society, 35-40 (2008)
5. В.И. Пахалюк, С.И. Калинин, Г.Д. Олиниченко Ортопедия, травматология, 4, 162-171 (2003).
6. В. Bose Spine, Vol. 3, 394-399 (2003)
7. Okazaki Yoshimitsu, Gotoh Emiko, Manabe Takeshi, Kobayashi Kihei Biomaterials, 25, 28, 5913-5920 (2004).
8. В.И. Калита, Д.А. Маланин, В .А. Мамаева, А.И. Мамаев, Д.А. Комлев, И.В. Деревянко, В.В. Новочадов, Ю.А. Ланцов, И.А. Сучилин Вестник ВолГМУ, 4 (32), 17-22 (2009).
9. А.В. Карлов, И.А. Хлусов Гений ортопедии, 3, 46-51 (2003)
10. И.И. Кузьмин Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, 4, 67 - 71 (2000).
11. А.Б. Шехтер, В.В. Серов Воспаление и регенерация. В кн. Воспаление. М. Медицина, 1995
12. А.А. Адамян Биосовместимость, 2, 97-107 (1994)
13. Г.С. Юмашев, В.А.Епифанов Оперативная травматология и реабилитация больных с повреждениями опорно-двигательного аппарата. - М.:«Медицина», 1983
14. В.Г. Германов, Г.М. Кавалерский, З.А. Черкашина, В.А. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, 1, 17-20 (1994)
15. Оксидное покрытие на чрескостное ортопедические имплантаты из нержавеющий стали [Электронный ресурс] / Режим доступа: www.freepatent.ru, свободный.
16. Использование электрического тока для удаления биоплёнок Staphylococcusepidermidis, колонизирую-
щих имплантаты из нержавеющей стали [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.antibiotic.ru , свободный.
17. А.А. Халиуллина, И.Н. Мусин, С.С. Ксембаев, А.К. Салахов, И.С. Разина Вестник Казанского технологического университета, 16, 5, 94-97 (2013)
18. Ю.Н. Хакимуллин, С.И. Вольфсон, Р.Ю. Галимзянова, И.В. Кузнецова, А.В. Ручкин, И.Ш. Абдуллин Вестник Казанского технологического университета, 23, 97103 (2011)
19. И.А. Мовшович, В.Я. Виленский Полимеры в травматологии и ортопедии. - М.: Медицина, 1978
20. В.И. Севастьянов Новое Перспективные материалы, 4, 41-51 (1997)
21. Хирургические имплантаты из циркония [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.zirconium.ru, свободный.
22. В.Г. Германов, Г.М. Кавалерский [и др.] Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, 1, 272 -278, (1994)
23. А.Б. Шехтер, И.Б. Розанова Тканевая реакция на им-плантат / В кн: «Биосовместимость»/ под ред. В.И.Севастьянова. М.: 1999
24. А.В. Карлов, В.П. Шахов Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. - Томск: STT, 2001
25. А. Rodriguez, J.M. Anderson. J. Biomed. Mater. Res. A., 92, 1, 214-220 (2010).
26. Пластины для накостного остеосинтеза [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://armadaprom.ru, свободный.
27. Т.Г. Волова, Е.И. Шишацкая, П.В. Миронов Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб.пособие / - Красноярск ИПК СФУ, 2009
28. V. Pesskovа, D. Kubiec, H. Hulejov, L. Himmlovа J. Mater. Sci. Mater. Med, 18, 3, 465-473 (2007)
29. S. McGarry, S.J. Morgan, R.M. Grosskreuz et al. J. Trauma, 64, 2, 430-433 (2008)
30. P. Thomas, A. Schuh, J. Orthopade, 37, 1, 75-88 (2008)
© И. С. Разина -к.х.н., доцент кафедры технологического оборудования медицинской и легкой промышленности (ТОМЛП) КНИТУ, [email protected]; В. И. Чернова - бакалавр той же кафедры, [email protected]; М. А. Колоколов - магистр той же кафедры, [email protected]; И. Н. Мусин - к.т.н., доцент, зав. кафедрой ТОМЛП КНИТУ, [email protected].
© I. S. Razina - Cand. Sci. (Chemical), Assoc. Prof., KNRTU, [email protected]; V. Chernova - master KNRTU, [email protected]; M. A. Kolokolov - master, KNRTU, [email protected]; I. Musin - Cand. Sci. (Tekhn), Assoc. Prof., KNRTU, [email protected].
