CC BY
122
го электрохирургического сварочного лигирования // Питания експериментальноТ та кглнлчноТ медицини: Зб1рник статей,- Випуск 9, Т.2.-Донецьк:ДонДМУ,- 2005.-c.13-17.
2. Патон Б.Е.. Электрическая сварка мягких тканей в хирур-гии.//Автоматическаясварка.- 2004, №9, С. 7-11.
3. Ding Z., Wable M., Rane A.J. Use of Ligasure bipolar diathermy system in vaginal hysterectomy //Obstet Gynaecol. - 2005.- V. 25. №1. - P.49-51.
4. Hagen B, Eriksson N, Sundset M. Randomised controlled trial of LigaSure versus conventional suture ligature for abdominal hysterectomy // BJOG. 2005. - V. 112, №7. -P.968-970.
6. Novitsky Y.W., Rosen M.J., Harrell A.G., et al. Evaluation of the efficacy of the electrosurgical bipolar vessel sealer (LigaSure) devices in sealing lymphatic vessels //Surg Innov. - 2005. - V.12, №2. - P.155-160.
7. Prokopakis E.P., Lachanas V.A., Helidonis E.S.The use of the Ligasure Vessel Sealing System in parotid gland surgery. //Otolaryngol Head Neck Surg. - 2005. - V.133, №5. -P.725-728.
8. Shen W.T., Baumbusch M.A., Kebebew E., Duh Q.Y. Use of the electrothermal vessel sealing system versus standard vessel ligation in thyroidectomy.//Asian J Surg. - 2005. -V.28, №2. - P.86-89.
5. Howard TJ, Mimms S. Use of a new sealing device to simplify jejunal resection during pancreaticoduodenectomy. //Am J Surg. - 2005. - V. 190, №3. - P.504-506.
Реферат
ВИКОРИСТАННЯ Б10Л0Г1ЧН0Г0 ЗВАРЮВАННЯ ТКАНИН ПРИ ВИКОНАНН1 ГЕМОРОЩЕКТОМИ ГрЫцов О.Г., Совпель О.В., Кунщький. Ю.Л., ЮдЫ В.М., Шаповалова Ю.О. Ключов1 слова: геморощектом1я, бюлопчне зварювання м'яких тканин.
Проводилось вивчення ефективност1 клш1чного застосування генератора автоматичного зварювання м'яких тканин при операц1-яхз приводу геморою у 33 хворих, яким геморощектом1я виконувалася з використанням генератора автоматичного зварювання м'яких тканин. Вивчено безпосереды й вщдапеш результати лкування. Установлено, що виконання гемороТдектомп ¡з застосу-ванням 61олог1чного зварювання тканин супроводжуеться над1йним ¡нтра- i п1сляоперацшним гемостазом, не зб1льшуючи питому вагу п1сляоперацшних ускпаднень i летальност1, морфолопчы досл1дження демонструють ефективн1сть, над1йн1сть i безпеку на-кладасмого электротерм¡чного шва.
УДК 616.71-001.5-089.843:615.464.03:669.9
СОВРЕМЕННЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЛАСТИКИ КОСТИ - ПУТИ И РЕЗУЛЬТАТЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
Дубок В.А., Гайко Г.В., Бруско А.Т., Киндрат В.В., Шинкарук A.B.
Институт проблем материаловедения им. И.Н.Францевича НАНУ, Институттравматологии и ортопедии АМНУ, Винницкий медуниверситет им. Н.И.Пирогова, ООО Промтехрезерв, г.Киев
Предложен вариант общей классификации неорганических биоматериалов и классификации биоактивных резорбируемых керамик, используемых для костной пластики. Проанализированы биологические и биофункциональные свойства биоактивных керамик и возможности рационального выбора комплекса этих свойств для оптимизации синтетического костнопластического материала при различных хирургических операциях. Описаны особенности и примеры применения биоактивного керамического композита Синтекость, разработанного для реализации необходимого комплекса свойств биоактивного материала.
Ключевыеслова: биоматериалы, биоактивныекерамики, резорбируемые керамики, костнопластический материал, биокомпозит Синтекость
Введение
Исследования и разработки новых биоматериалов вносят существенный вклад в прогресс современной ортопедии, причем роль этого вклада постоянно растет, особенно за счет так называемых биоактивных неорганических материалов, которым посвящено настоящее сообщение. Имеющийся научный задел в этой области указывает на близкую перспективу значительного повышения эффективности многих ортопедических операций благодаря применению улучшенных биоматериалов нового поколения [1-3]. Задача настоящего доклада - рассмотреть классификацию и возможные пути усовершенствования биоактивных керамических материалов, а также некоторые результаты, достигнутые в этом направлении к настоящему времени либо ожидаемые в ближайшем будущем. Чтобы правильно сформулировать требования к этому типу биокерамик и пути их реализации, целесообразно рассмотреть их место в общем множе-
стве биоматериалов.
Классификация неорганических биоматериалов
Всю историю ортопедии, начиная с доисторических времен, можно рассматривать как историю поиска биоматериалов, т.е. материалов, способных длительное время работать во внутренней среде организма, выполняя определенную функцию. В частности, для восстановления функций костной ткани применяют, как правило, неорганические материалы. Но никакой материал, имплантированный в живой организм, не может быть абсолютно инертным, каждый вызывает определенную реакцию организма. Реакция организма, точнее результат взаимодействия с внутренней средой живого организма в течение достаточно длительного времени, является основной характеристикой биоматериала. В зависимости от реакции организма все материалы разделяют на биотоксичные, т.е. вызывающие негативные либо патологические ре-
акции, которые накапливаются в живом организме и проявляются в различной степени поражения организма вплоть до летального исхода, и биосовместимые, т.е. такие, которые могут выполнять различные функциональные назначения внутри организма достаточно дли-
тельное время без аккумуляции негативных изменений в организме. При этом степень биосовместимости возрастает по мере минимизации негативных реакций организма на материал. (Табл. 1).
Табл. 1
Классификация материалов по биологическим свойствам
Классы материалов Подклассы Примеры
БИОТОКСИЧНЫЕ Улеродистые стали
Инструментальные стали
Сплавы Ы1, Со, Сг, V, В1
Сплавы Си, Эп и др.
Карбиды, нитриды, бориды, гидриды и др.
БИОСОВМЕСТИМЫЕ Биотолерантные Нержавеющие стали
Сплавы Со, Сг, Мо
Сплавы Д Та, 2г, Аи, Р1 и др.
Биоинертные А12О3,2г02(У20э), МдА^Од
Биоактивные Поверхностно- биоактивные Керамический гидроксиапатит
Биорезорбируемые1' Наноструктурный гидроксиапатит
Биостекпа
Биоситаллы
Трикальцийфосфат
Резорбируемые стекла
Сульфат кальция и др.
Примечание - более детальная классификация биорезорбир
Реализация биосовместимости, т.е. равновесия биоматериала с живым организмом, происходит в результате накопления изменений как в материале, так и в живой среде, причем виды и механизмы этих изменений весьма различны. В зависимости от этих процессов все биосовместимые материалы можно разделить на такие группы:
Биотолерантные - материалы, которые могут функционировать в живом организме благодаря тому, что их негативное влияние нейтрализуется за счет компенсаторных свойств организма, например, они изолируются от организма - инкапсулируются - путем образования вокруг им-плантата слоя соединительной ткани различной толщины.
Биоинертные - материалы, для которых толщина слоя соединительной ткани на поверхности уменьшается до нескольких клеточных слоев. Из неорганических биоматериалов к биоинертным относятся наиболее химически инертные вещества, как правило, тугоплавкие оксиды, у которых энергия химической связи настолько высока (тугоплавкость - следствие большой энергии химической связи), что живой организм не способен разрушить или заместить эту связь, несмотря на разнообразие и многосторонность своих воздействий - солевое растворение в плазме крови, совместное воздействие ферментов, иммунных и клеточных систем (фагоциты, лимфоциты, иммунноциты, Т-киллеры и др.). Благодаря этому идеально био-
х материалов приведена в следующей таблице.
инертные материалы остаются неизменными на протяжении любого срока пребывания в организме, не вызывают каких-либо отрицательных реакций со стороны организма, остаются, по-существу, незамеченными, точнее, совершенно нереакционноспособными для различных распознающих систем организма. Про такой материал говорят, что он обладает идеальной биосовместимостью. Особый интерес с точки зрения восстановительной хирургии представляют биоактивные материалы, которые способны образовывать непосредственные биохимические связи с окружающими тканями живого организма - твердыми тканями (костью) либо также с мягкими тканями. Такое свойство неорганических материалов было впервые обнаружено для синтетического гидроксиапатита (ГАП) в 70-х годах прошлого столетия. Синтетический ГАП является близким аналогом минерального вещества, входящего в состав кости, и хотя до полной аналогии этих веществ достаточно далеко [4,5], даже в опытах in vitro (в чашке Петри с физраствором) можно наблюдать, что коллаген присоединяется концами своих волокон к ГАП настолько прочно, что при натяжении всегда рвется волокно коллагена, но никогда - место соединения его с апатитом. Более детальные исследования свидетельствуют, что это происходит вследствие образования на поверхности синтетического ГАП микрокристаллов, подобных биоминералу кости, к которым и присоединяется коллаген, причем чем выше температура спека-
ния синтетического ГАП и чем совершеннее его кристаллы, тем медленнее происходит этот процесс [6].
Открытие биоактивных свойств ГАП обозначило существенный скачок в возможностях ортопедов, поскольку была, во-первых, доказана реальность очень прочного и надежного биохимического соединения синтетического материала с живой костью, а, во-вторых, появился неограниченный источник такого материала для заполнения больших дефектов кости. Особого внимания заслуживают биологические свойства синтетического ГАП и подобных ему материалов. Изучению этих свойств и результатов имплантации таких материалов посвящено свыше ста тысяч научных статей, в которых, в частности, была показана абсолютная нетоксичность большинства этих материалов, отсутствие иммунных и других негативных реакций организма, изменений в работе почек, печени и других органов при имплантации даже значительных количеств таких материалов (при условии использования качественных продуктов). Поэтому еще на первом конгрессе имплантологов кальцийфосфатные керамики были признаны мировым сообществом как "наиболее биосовместимые из всех известных до сих пор материалов"[7].
В Украине исследования синтетического ГАП медицинского назначения начаты в конце 1980 годов, первую имплантацию такого ГАП выполнил В.Н.Ливенец в 1992 г., в 1996 г получено разрешение на клиническое применение этого материала в нашей стране. Название КЕРГАП, предложенное для него автором настоящего сообщения доклада, должно было обозначать объединение возможностей технологии керамики и свойств ГАП. Постепенно были выяснены также недостатки ГАП как имплантационного материала. Они связаны, в основном, с тем что ГАП (и, особенно, спеченный керамический ГАП) является примером поверхностно-биоактивных материалов, т.е. образующиеся связи с костной тканью, как и сам апатит, остаются практически неизменными в организме достаточно длительное время. Например, спеченная керамика из ГАП, имплантированная на 8 лет в кость собаки, обнаружила только следы поверхностной резорбции. При имплантации
пористой керамики, гранул или порошка ГАП они хорошо прорастают костью (вследствие высокой остекондуктивности), однако даже через длительный срок (несколько лет и больше) место имплантации представляет собой так называемый костно-керамический комплекс, структура и свойства которого существенно отличаются от свойств кости, в частности, прочность и трещиностойкость костно-керамического комплекса уступают кости, а более высокая по сравнению с костью твердость и модуль упругости обуславливают экранирование нагрузки прилегающей кости и стимулируют ее резорбцию. В то же время высокодисперсный гидро-ксиапатит более интенсивно взаимодействует с организмом, однако он очень неудобен в использовании - обладает слишком малой насыпной плотностью, что не дает возможности поместить достаточное количество его в дефект кости, легко вымывается кровью из раны, мешает ушивать рану. Использование композитов из высокодисперсного порошка с коллагеном либо другим органическим связующим также оказывается неэффективным вследствие малого количества гидроксиапатита в композите (из-за большой поверхности такого порошка), а также из-за трудностей в стерилизации и хранении такого композита.
Упомянутые недостатки ГАП, а также опыт его применения и исследования послужили основой для разработки и изучения других биоактивных керамических материалов. Были предложены материалы, биоактивность которых близка к ГАП, но скорость резорбции намного выше и процесс резорбции проходит до конца (так называемые резорбируемые биоактивные материалы). Резорбируемые неорганические материалы представляют собой особый класс материалов, у которых основными являются именно биологические свойства - процесс, характер и следствия взаимодействия с живым организмом, поскольку все остальные свойства материала - временные, существенные только для первого периода после операции. При их использовании необходимо обязательно учитывать неоднородность и неоднозначность этого процесса, которые отражены в предлагаемой классификации биорезорбируемых материалов (Рис.1)
БИОРЕЗОРБИРУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
I "
ПОЛНОСТЬЮ РЕЗОРБИРУЕМЫЕ
Структурный тип резорбции биокерамики
Характерный ика структура ых прееращний в материале
Характеристики резорбции
Прео бладаю щ и й
физиологический процесс в организме, который контролирует резорбцию
Характе ристики продуктов метаболизма
ГОМОГЕННО РЕЗОРБИРУЕМЫЕ
ГЕТЕРОГЕННО РЕЗОРБИРУЕМЫЕ
Скорость общей резорбции
I
Резорбция с Резорбщя з
микроструктурированием наноструктурированием
Скорость общей резорбции и скорости резорбции
отдельных ^ омпонентов
Растворение в Растворение с Метаболизм с участием Суммарное действие всех Синергетическое
плазме крови участием энзимов и остеокластов и других либо нескольких факторов взаимодействие разных
макрофагов 1 клеточных систем факторов
Локальное Биологические Специальные
изменение рН за характеристики процессов характеристики продуктов
счет резорбции выведения метаболизма продуктов резорбции - бактерицидное действие, десорбция лекарств, биомимстичсскос действие и др.
Рис 1. Классификация биорезорбируемых материалов.
К резорбируемым материалам относятся, прежде всего, кальцийфосфатные керамики на основе а- и р-трикальцийфосфата Ca3(PO4)2, ок-такальцийфосфата Са4Н(Р04)35Н20, дигидро-кальцийфосфата СаНР04- 2Н20, аморфного кальцийфосфата (Са(НР04)3х-2 (Р04)2-2х. Эти материалы также образуют непосредственные биохимические связи с окружающей костью, но, по мере резорбции материала имплантата, эти связи обновляются. Например, трикальцийфос-фат растворяется в плазме крови в 23 раза быстрее гидроксиапатита. Из всех кальцийфосфа-тов наиболее стабилен в условиях внутренней среды организма гидроксиапатит, а быстрее всего растворим аморфный кальцийфосфат. Еще быстрее аморфного кальцийфосфата ре-зорбирует в организме сульфат кальция Са804, срок полной резорбции которого составляет 4 -6 недель. Его относят даже к остеоиндуктивным материалам, то есть таким, которые способны вызывать и стимулировать остеогенез. У гидроксиапатита и других кальцийфосфатных керамик такое свойство проявляется только при добавлении в имплантируемый материал крошки живой кости, а именно остеоцитов или недиф-ференцированых костных клеток, хотя можно отметить, что такая возможность почти автоматически реализуется при имплантации кальцийфосфатных керамик в дефект кости. В силу слишком быстрой резорбции, которая превышает скорость восстановления кости, сульфат кальция (особо чистый хирургический гипс) для заполнения костных дефектов не используют самостоятельно, а в смеси с ГАП, другими биоактивными керамиками или с дробленой костью.
Особенно эффективно применять сульфат кальция в качестве мембраны, т.е. наносить хирургический гипс сверху биокерамических гранул или блока, заполняющего дефект кости, после чего гипс быстро твердеет, препятствуя миграции биоактивной керамики из дефекта. При этом используется еще одно уникальное свойство гипса - способность стимулировать пролиферацию эпителия - клетки эпителия быстро разрастаются на его поверхности, изолируя этот материал от внешней среды, что особенно полезно в стоматологии. Поэтому при подобном применении гипса в стоматологии полное соединение лоскутов мягкой ткани при ушивании раны не является обязательным - это соединение достигается благодаря разрастанию эпителия. К недостаткам гипса следует отнести трудность его использования при значительной кровоточивости дефекта. Гипс неприменим также в тех случаях, когда костно-пластический материал должен обладать свойством ингибитора эпителиальных клеток.
Значительным достижением в прогрессе биоактивных керамик явилась разработка биоактивных стекол и ситаллов. Эти материалы впервые предложил около 30 лет назад выдающийся американский ученый Ь. НепсИ для лечения американских солдат во Вьетнаме, где вследствие массового применения вьетнамцами противопехотных мин малой мощности советского производства большой процент ранений американских солдат составлял раздробленные кости ног. Основой большинства биоактивных стекол является так называемое стекло Хенча 4585, имеющее максимальную биоактивность. Хими-
ческий состав этого стекла: 24,5% Ыа20, 24,5% СаО, 45% ЭЮ2, 6% Р205. Биоактивность стекол проявляется в достаточно большой области составов, что позволяет, изменяя химический состав, в широких пределах регулировать величину биоактивности и скорость резорбции стекла. Стекло представляет собой быстро закаленный расплав, в котором отсутствуют любые кристаллы, поэтому оно имеет недостаточную прочность и трещиностойкость. Если выдержать специальный режим охлаждения и добавить в стекло центры кристаллизации, можно получить биоситаллы - стекпокристаллический материал, имеющий повышенную прочность. В биоактивных ситаллах, кроме стекла, встречаются такие кристаллические фазы: апатит (общая формула Са10(РО4)6(О,ОН,Р); В -волластонит - СаёЮ3; флогопит - (№,К) Мд3(А1 ЭЮ10)Р2; витлокит - В - Са3(Р04)2.
Биологические и биофункциональные свойства биоактивных керамик
Появление многообразных биоактивных материалов поставило вопрос о сравнительном изучении свойств этих материалов, более точном и рациональном выборе и оптимизации всего комплекса характеристик материала, что может оказаться решающим для успеха его применения. Для правильной ориентации в множестве таких материалов, имеющихся на рынке, необходимо более подробно рассмотреть особенности служебных свойств биоактивных неорганических материалов.
Свойства биоактивных материалов, существенные для их применения, значительно отличаются от комплекса служебных свойств других биосовместимых материалов. Это связано с тем, что поведение в организме и предъявляемые требования к этим материалам принципиально различны. Если для биоинертных и биотолерантных материалов основными являются, как правило, механические свойства, а биосовместимость - только необходимое условие, позволяющее использовать их для имплантатов, длительно находящихся в организме, то для биоактивных резорбируемых материалов главными являются биологические свойства, определяющие ход процесса взаимодействия материала с организмом и замещения имплантата полноценной костью. Механические характеристики таких имплантатов важны только для первого этапа операции и определяют удобство операции и поведение имплантата до прорастания его костью. Основные биологические характеристики резорбируемых биоактивных материалов приведены в Табл.2.
Последнее из перечисленных свойств - биофункциональность представляет, по существу, суперпозицию всех предыдущих свойств, выбираемую для обеспечения определенного функциональное поведения материала в организме. Например, некоторые типичные характеристики биофункциональности биоактивных материалов приведены в Табл. 3.
Таблица 2.
Биологические свойства резорбируемых биоактивных керамик
Параметр Определение
Биоактивность Способность материала образовывать непосредственные биохимические связи с тканями живого организма
Биорезорбция Включение биоматериала в процессы метаболизма с благоприятными результатами для организма
Механизмы резорбции Преобладающие пути взаимодействия биокерамики с различными системами организма: остеокластами, растворение в плазме крови, макрофагами и др.
Продукты резорбции Биологические характеристики продуктов резорбции, пути их использования и выведения из организма.
Биодеградация Изменение свойств материала под влиянием факторов живого организма.
Остеоинтеграция Срастание биокерамики с костью вследствие образования непосредственных биохимических связей
Остекондуктивность Способность поддерживать врастание ветвящихся капилляров и сосудов из соседней кости, размножение остебластов и кальцификацию в трехмерной структуре пор имплантата, т.е. заполнение всех пор имплантата новой костью
Остеоиндуктивность Способность поддерживать генезис остеобластов и остеокластов, которые образуют новую кость
Остеогенезисные свойства Способность стимулировать образование кости в результате накопления и направленного развития недифференцированных кпеток-предшественников
Биофункциональность Способность имплантата выполнять ожидаемые от него биологические функции
биофункциональность представляет, по существу, суперпозицию всех предыдущих свойств, выбираемую для обеспечения определенного функциональное поведения материала в организме. Например, некоторые типичные характеристики биофункциональности биоактивных материалов приведены в Табл. 3.
Таблица 3.
Характеристики биофункциональности биоактивных материалов
Свойство Характеристика
Ткани, с которыми образуются биохимические связи Твердые
Мягкие
Твердые и мягкие
Параметры биорезорбции Перечислены в классификации биорезорбируемых материалов
Характеристики остекондуктивности и роста новой кости Особенности замещения биоактивного материала новой костью - объемное, поверхностное, размеры переходного слоя и скорость его перемещения и др.
Структура и свойства восстановленной кости Прочность, структура, модуль Юнга, интеграция с соседней костью
Гемостатический эффект Наличие, интенсивность, продолжительность
Бактерицидные свойства Тип микроорганизмов, интенсивность, продолжительность
Адсорбционные свойства Тип сорбируемых веществ, условия, продолжительность десорбции
Мембранные свойства Способность к пролиферации эпителия на свободных поверхностях материала
Биомиметические свойства Стимулирование определенных физиологических процессов путем модификации объема либо поверхности биокерамики
Взаимодействие с различными системами организма Ингибирование эпителиальных клеток, стимулирование роста кровеносных сосудов и т.д.
Правильный учет перечисленных свойств дает гораздо более точный прогноз поведения при имплантации каждого конкретного материала и позволяет более оптимально планировать выбор материала для наибольшей эффективности конкретной операции, однако при этом необходимо учитывать несколько существенных моментов. Во-первых, в реальном организме трудно выделить отдельные механизмы взаимодействия материала с организмом, потому что мы имеем дело с единой сложной системой, которая интегрирует разные воздействия. Поскольку для каждого индивидуума характерна своя реакция на каждое из возможных нарушений внутренней среды, реакция на комплексное вмешательство оказывается еще более индивидуальной. Во-вторых, свойства сложного по составу материала также не являются простой суммой свойств его компонентов, поскольку для взаимодействия с живым организмом очень характерны синергетические эффекты. Наконец, даже для наиболее типичных представителей биоактивных керамик весь комплекс биоактивных и биофункциональных свойств еще далеко не изучен, особенно с учетом вариабельности этих свойств за счет структурного и химического факторов. Тем не менее только такой путь - максимального учета имеющейся информации о различных биологических и биофункциональных свойствах материалов совместно с данными о состоянии пациента - является единственно правильным и оптимальным для рационального планирования каждой конкретной операции.
Необходимо проанализировать также недостатки биоактивных керамик, используемых для пластики кости. Как очевидно из вышесказанного, они обусловлены, в основном, невозможностью точно согласовать требования кокретного организма кданному биологическому свойству с параметрами имющегося материала. Рассмотрим, например, несогласованность
сроков резорбции имплантата и процессов регенерации кости. Если резорбция имплантата происходит быстрее, чем регенерирует кость, это эквивалентно нехватке материала для восстановления кости и в результате в месте имплантации кость получается меньшего объема и меньшей плотности, чем окружающая костная ткань. В случае замедленной резорбции материала имплантата нарушается структура восстановленной кости, поскольку на первом этапе формируется нечто напоминающее костно-керамический комплекс, возникающий при имплантации нерезорбируемого ГАП. Подобные нарушения можно предвидеть при отклонении от оптимума любого из перечисленных биологических свойств имплантируемого материала. Поскольку для наиболее эффективного применения имплантата в конкретной операции необходимо оптимизировать одновременно несколько (иногда до десятка) различных свойств материала (данные о которых далеко не всегда известны), совершенно очевидным становится несоответствие реального материала, применяемого практическим хирургом, тому материалу, который был бы действительно оптимальным для данной операции. По-существу, только колоссальные
компенсаторные свойства живых организмов объясняют значительную практическую пользу и эффективность применения таких материалов.
Таким образом, в настоящее время синтезированы, разработаны, изучены в различной степени и имеются на рынке десятки разных биоактивных неорганических материалов и сотни вариантов их композиций и модификаций, обладающих прекрасной биосовместимостью и широким диапазоном разнообразных биологических и физико-химических свойств. Тем не менее «золотым стандартом» пластики кости по-прежнему считается использование имплантата из аутокости, несмотря на значительную
травматичность такой дополнительной операции, ограниченное количество доступного для изъятия материала, большие потери крови, проблематичное качество такой кости у многих пациентов (остеопороз, пожилой возраст), невозможность либо повышенную
травматичность аутопластики у молодых пациентов. Такое положение нужно считать позором для современного материаловедения биоактивных керамических материалов. Причина его, по-видимому, обусловлена тем, что имеющиеся на рынке многочисленные материалы этого класса представляют собой, по-существу, отдельные точки в широком непрерывном множестве биоактивных керамических материалов, сопровождаемые недостаточной и рекпамно-необъективной информацией о биологических и других свойствах. Эти точки принципиально неспособны удовлетворить потребность в очень разнообразных, плавно и широко изменяющися свойствах подобных материалов, более того, к одновременному и возможно более точному воспроизведению достаточно большого числа таких свойств. С другой стороны, фирмы-производители унифицированных материалов принципиально неспособны удовлетворить потребность какой-либо клиники или конкретного хирурга в требуемых материалах, если бы даже эти свойства были известны.
Методы синтеза и основные свойства неорганических биокомпозитов
Для того, чтобы найти выход из этой ситуации нами была предложена новая концепция в разработке и использовании биоактивных керамических материалов для костной пластики. Она основана на том, что главное биологическое свойство - высокая биосовместимость - детально изучено и практически постоянно для большой группы биоактивных керамик. Возможные эффекты токсичности таких материалов обусловлены только присутствием известных токсичных элементов и были полностью исключены при надлежащем контроле за химическим составом материалов, что было подтверждено результатами испытаний. Были разработаны методы химического синтеза основных компонентов и композитов и методы контроля основных параметров продуктов синтеза [8,9]. Была также изучена биосовместимость некоторых композитов из биоактивных керамик, пути модификации отдельных компонентов и композитов из них и была показана возможность плавного регулирования большинства перечисленных биологических свойств таких материалов путем управляемого изменения состава и структуры композита при сохранении абсолютной биосовместимости и полном отсутствии токсичности материала[10]. На этом основании были разработаны синтетические
биоактивные неорганические материалы для пластики кости, получившие название Биокомпозиты Синтекость (www.bioactiveceramics.com), которые с 2005 г. разрешены для применения в медицинской практике (Свидетельство о государственной регистрации №3653/2005 от 28.01.2005). По составу они близки к минералу природной кости, и предназначены для решения различных задач хирургического восстановления кости при травмах, опухолях и болезнях костной ткани. Биокомпозиты полностью либо частично резорбируют в планируемое время с использованием имплантированного материала для построения новой полноценной кости и обладают, при необходимости, также другими биологическими свойствами - бактерицидными, свойством стимулирования репаративных процессов и др. Биокомпозиты Синтекость выпускаются в виде порошков, гранул различного размера и пористости, а также в виде пористых и плотных блоков и фигурных имплантатов, изготавливаемых по моделям костных дефектов, например, дефектов черепа, размером до 10 -15 см.
Биоактивность композитов проявляется в свойстве остеоинтеграции - образовании непосредственных биохимических связей с прилегающей к ним костной тканью (для некоторых вариантов биокомпозита - и с окружающими мягкими тканями), а также в свойствах остео-кондуктивности и остеостимуляции - они служат проводником и стимулятором образования на поверхности и в порах биокомпозита новой костной ткани. Остеоиндуктивные свойства, а также остеогенезисные свойства для биокомпозитов Синтекость стимулируются адсорбцией и быстрым размножением на поверхности и в порах имплантата клеток, присутствующих в крови пациента, добавлением стружки из аутокости или специальным введением в Синтекость соответствующих упомянутых факторов (а также культивированием соответствующих клеток на поверхности имплантата из биокомпозита Синтекость в лабораторных условиях).
Биокомпозиты Синтекость полностью (для некоторых вариантов частично) резорбируют в планируемое время - от 6 недель до нескольких лет, замещаясь костной тканью, построенной из продуктов резорбции. Характер резорбции биокомпозита планируется и управляется его составом и структурой - от объемной резорбции, происходящей одновременно во всем объеме материала до поверхностной резорбции, охватывающей слой материала различной (планируемой) толщины и распространяющейся вглубь имплантата из биокомпозита с планируемой скоростью. Механизм резорбции, взаимодействия с различными факторами живого организма и включения биокомпозита в метаболизм также регулируется технологией материала - от преимущественной резорбции фагоцитами и растворения плазмой крови и почти полной ней-
тральности к остеоцитам до вариантов биокомпозита, для которых метаболизм за счет взаимодействия с остеокластами более чем на порядок превышает растворение плазмой крови. Последние типы биокомпозита могут использоваться в лабораторной практике для культивирования in vivo и оценки активности остеокластов. Для применения в инфицированных ранах, при кистах и остеомиелитах разработаны варианты биокомпозита с бактерицидными свойствами.
Биокомпозиты Синтекость не содержат органических компонентов, поэтому не провоцируют никаких отрицательных иммунных реакций организма, применимы для пациентов с ослабленной иммунной системой.
Благодаря этому биокомпозиты Синтекость допускают многократную сухожаровую стерилизацию без всякого изменения биологических и других свойств.
Кроме известных компонентов (гидроксиапа-тит, трикальцийфосфат, октакальцийфосфат, сульфат кальция, различные биактивные стекла и биоактивные ситаллы), в состав биокомпозитов Синтекость введены также компоненты, которые придают этим материалам биостимули-рующие, бактерицидные, а также некоторые другие специальные биологические свойства. По сути, такие материалы интегрируют и существенно расширяют все известные свойства биоактивных керамик и позволяют достаточно надежно планировать резорбцию и свойства имплантатов, что необходимо для современного биоактивного материала.
Примеры регулирования характера остеокон-дуктивности биоактивного материала путем регулирования состава и структуры разных вариантов биокомпозита Синтекость приведены на рис.2 - 4.
На рис.3 представлен вариант биокомпозита Синтекость, в котором образование новой кости начинается одновременно во всем объеме им-плантата, что обеспечивает наиболее равномерную резорбцию керамики, pvp—p
; ' о
íÉ'y $ Y 4%J
:V
• Щ
т
Иш^НН
Рис.2 Взаимодействие биокомпозита Синтекость с костью (срок после операции - 4 месяца). Для варианта биокомпозита с сокращенным сроком резорбции костная ткань (коричневый цвет) появляется равномерно во всем объеме биокомпозита (светлый цвет).
Для варианта биокомпозита, представленного на рис.3, процесс резорбции и замещения костью происходит только по поверхности им-плантата, причем фронт этого взаимодействия перемещается внутрь керамики с регулируемой скоростью. Для варианта биокомпозита, представленного на рис.3, процесс образования новой кости происходит первоначально только в порах и трещинах керамического имплантата. Во всех случаях наблюдается полная интеграция кости с имплантатом, отсутствие переходного слоя.
Рис.3. Взаимодействие биокомпозита Синтекость с костью (срок после операции - 4 месяца). Для варианта биокомпозита, близкого по составу к биоактивному стеклу фронт взаимодействия (темный цвет) перемещается со стороны кости (коричневый цвет) в середину биокомпозита (светлый цвет).
Рис 4. Взаимодействие биокомпозита Синтекость с костью (срок после операции - 4 месяца). Для варианта биокомпозита с более продолжительным сроком резорбции наблюдается плотное прилегание костной ткани (коричневый цвет) к поверхности биокомпозита (светлый цвет) с постепенным проникновением биокомпозита по порам и трещинам, которые образуются в кости.
Клинические применение биоактивных керамических композитов
Отдельные применения имплантатов из биокомпозита Синтекость для компенсации больших дефектов костей с клиническим наблюдением на протяжении больше 4 лет убедительно доказали эффективность биокомпозитов Синтекость и отсутствие негативных отдаленных результатов (рис. 5 и 6)
Рис.5. Подгонка имплантата на модели черепа (а) и отдаленные (4 года) результаты операции - (б).
Рис.6. Пулевое ранение черепа: состояние до операции (а), ход операции (б) и результат операции (в).
Таким образом, отличительными свойствами биокомпозита являются:
1) прекрасная переносимость организмом и полное отсутствие нежелательных реакций;
2) регулируемые в значительных пределах пористость, структура и механические свойства;
3) регулируемые скорость и механизм резорбции;
4) возможность многократной стерилизации без изменения качеств;
5) доступность и низкая цена.
Биокомпозиты Синтекость апробированы ведущими ортопедами, стоматологами, челюстно-лицевыми хирургами и нейрохирургами Украины в сотнях хирургических операций.
В процессе клинической апробации биокомпозиты Синтекость использовались в следующих случаях:
В ортопедии
Для заполнения костных полостей после удаления кист, костных опухолей, локальном ос-теопорозе.
Замещение элементов удаленной либо поврежденной кости при операциях, травмах.
Замещение элементов позвонков при травмах, остеопорозе.
В нейрохирургии
Для замещения элементов утраченной либо поврежденной кости черепа после операций, травм.
В челюстно-лицевой хирургии
Для замещения элементов челюстно-лицевых костей и суставов.
Для заполнения костных полостей после цис-тотомии и цистэктомии, остеомиелита.
При костной пластике в пластической хирургии.
В стоматологии
Для заполнения пародонтальных дефектов с средним и высоким остеогенным потенциалом.
При горизонтальной и комбинированной атрофии альвеолярного отростка для проведении имплатанционной реконструкции.
Для заполнения лунок удаленных зубов для предотвращения атрофии контура альвеолярного гребня.
Для заполнения дефектов кости после цистэктомии, напиэктомии.
Для синуслифтинга.
При глубоком пломбировании корня зуба, в том числе с выходом за эпиакальной отверстие.
Таким образом, анализ современного состояния разработок биоактивных керамик и неорганических композитов на их основе позволяет
обснованно констатировать, что «золотой стандарт костной пластики» - использование ауто-трансплантатов кости - может быть с не меньшим успехом заменен применением современных синтетических материалов - при рациональном планировании свойств требуемого материала и адекватной реализации этого плана. Результативность такого метода подтверждена, в частности, опытом применения биокомпозитов Синтекость, разработанных на основе изложенных принципов.
Литература
1. Hench L.L. Bioceramics // J. Am. Ceram. Soc. - 1998. - V. 81, №.7. - P.1705-1727.
2. Kim H.-M. Bioactive ceramics: Challenges and Perspectives // J. Ceramic Society of Japan. - 2001. - V.109. - P.S49-S57.
3. Дубок В. Биокерамика - вчера, сегодня, завтра. //Порошковая металлургия. - 2000.- №7-8. - С.69-87.
4. Glimcher M.J. The nature of the mineral phase in bone: Biological and clinical implifications. Metabolic bone disease
and clinically related disorders. Ed. L.V.Avioli, S.M.Krane. -Academic Press, London, 1998.
5. Jager C., Welzel T., Meyer-Zaika W., Epple M. A solid-state NMR investigation of the structure of nanocrystalline hy-droxyapatite //Magn. Reson. Chem. - 2006. - V. 44. -P.4366-4373.
6. Kim H.M, Himeno T, Kokubo T, Nakamura T. Process and kinetics of bonelike apatite formation on sintered hydroxya-patite in a simulated body fluid // Biomaterials. - 2005. - V. 26, №21. - P.4366-4373.
7. de Groot. Bioceramics of calcium phosphateio - Boca Raton, FL: CRC Press.Inc,1983.
8. Дубок B.A., Костюк Г.Я., Бруско А.Т., Киндрат B.B.,. Шин-карук A.B. Усовершенствование биоактивных керамик, используемых для восстановления костной ткани // Biomedical and social antropology. 2005. - №4. - P.125-132.
9. Дубок B.A., Брик О.Б., Шинкарук O.B. и др. Ф1зико-х1м1чн1 основи синтезу бюкерам1чних структурованих матер1ал1в ¡з керованою бюактивнютю для вщтворення функцш Kic-ток i ¡нших орган1в // Фундаментальы ор1ентири науки -2005. - Вип.3. - С.239 - 259.
10. Shpak A.P. Dubok V.A. Karbivsky V.L. et al. Structural transformation in nanoscale hydroxyapatite powders, produced by chemical precipitation for biocomposites // Нано-системи, наноматер1али, нанотехнологи. - 2003. - Т. 1, №1.- Р. 1-7.
Реферат
СУЧАСН1 НЕРГАН1ЧН1 БЮМАТЕР1АПИ ДЛЯ ПЛАСТИКИ К1СТКИ - ШЛЯХИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ УДОСКОНАЛЕННЯ Дубок В.А., Гайко Г.В., БрускоА.Т., К1ндратВ.В., Шинкарук А.В.
Ключов1слова: б1оматер1али, бюактивн1 керам1ки, резорбусм1 керам1ки, к1стково-пластичний матер1ал, б1окомпозит Синтек1сть
Запропронований вар1ант загальноТ класифкаци неорган1чних б1оматер1ал1в I кпасиф1кац1Т бюактивних резорбусмих керам1к, як1 використовуються для кютково!' пластики. Проанал1зован1 бюлопчн1 I 51офункц1ональн1 властивост1 б1оактивних керам1к I можли-вост1 рац1онального вибору комплексу цих властивостей для оптим1зацп синтетичного к1стковопластичного матер1алу при р1зних х1рург1чних операц1ях. Описан1 особливост1 I приклади застосування б1оактивного керам1чного композиту Синтекють, розробле-ногодля реал1зацп необх1дного комплексу властивостей б1оактивного матер1алу.
УДК 616.7-089.843:615.464:666
Н0ВИЙ ПЛАСТИЧНИЙ МАТЕР1АЛ ДЛЯ ЗАП0ВНЕННЯ К1СТК0ВИХ ДЕФЕКТ1В*
Проценко В.В.
1нститутонкологи АМН Украши, м. КиТв
В статт1 надаетъся характеристика та пов1домляетъся про використання при кктково-пластичних операщях нового 1мплантацшного матер1алу - "Бюкомпозиту Синтетстъ", для замщення дефект1в кктки тсля видалення гиантоклтинног, доброятсних пухлин та пухли-нопод1бних захворюванъ кстки у 31 пащента. В резулътат{ проведеного лтування у 30 проопе-рованих пащент1в вдалося в1дновити функцю та опороздаттстъ ктщвки.
Ключов1 слова: пгантокп1тинна пухпина, доброякюна пухлина кютки, пухлинопод1бн1 захворювання кютки, кютково-пластичн1 операцп, "Бюкомпозит Синтекють".
Вступ
Питання замщення дефект^ кюток турбуе ортопед^ та онкоортопедв не одне стол1ття. 3 ль тератури вщомо, що для заповнення кюткових дефект^ тсля видалення пухлин кюток при кют-ково-пластичних операцтх використовувалися ало- аутотрансплантати та ксенотрансплантати [1,10,11]. В 70-80 роки 20 стол1ття в л1тератур1 з'явилися повщомлення про застосування кору-ндово1 керамки та високочистого оксиду алюмн ыю [5], а наприкнц1 90-х роюв про бюатали та керамнний матерел на основ! гщроксилапатиту та трикальцмфосфату [7,8,9]. Використання при кютково-пластичних операцтх ауто- та ало-трансплантат1в мае як своТ переваги так \ недо-
лги: при аутотрансплантаци необхщне ще одне оперативне втручання, збтьшуеться час операцп, незавжди достатньо донорськоТ тканини; алотрансплантати в ряд1 випадюв не вщповща-ють техннним можливостям операцп, можуть утримувати важю метали, радюактивы ¡зотопи, а також можуть бути ¡нфковаы, викликають ¡му-нолопчну реакц1ю вщторгнення трансплантату, що призводить до тсляоперацмних ускладнень [6]. Штучы матерели, як1 використовувалися при пластичних операцтх на кютках, також не зовам вщповщали вимогам ¡мплантаци, зокрема часто спостер1галися нагноювання ¡мплантат1в, корозт металу та зниження тривких властивостей конс-трукцм. Перелнеы недолки обумовили необ-хщнють подальшого пошуку матерев, як1 б по-
* Публкаи,1я виконана зг/дно планово(НДР: - ВН 14.01.07.88-04
