Каким будет имплантат будущего?
Костные имплантаты
Федор Сенатов, ПостНаука
Ежегодно в мире проводят сотни операций по установке костных имплантатов, нужда в которых появляется из-за травм, полученных в результате ДТП, других несчастных случаев или болезни – например, вследствие развития остеосаркомы, когда хирург удаляет часть костной ткани и на ее место ставит костный имплантат.
Каждый из нас видел сложную структуру кости: внутри она пористая, а внешний слой сплошной. Кость состоит из различных слоев, каждый из которых несет свою функциональную нагрузку. Если внутренний слой губчатый, то это трабекулярная кость, через которую проходят питательные вещества, прорастают кровеносные сосуды. Кортикальная кость имеет высокую прочность и другие свойства, она несет большую нагрузку, поэтому наш скелет и несет нас, поддерживая внутренние органы. Кортикальная кость имеет малый размер пор. Если мы хотим заменить реальную кость, нам нужно воспроизводить эти структуры, чтобы полностью восполнить потерянный участок кости, поэтому интерес к тематике костных имплантатов так высок.
Область костных имплантатов комплексная и сложная. Прежде всего, необходимо подбирать материал, который по химическому составу близок к костной ткани либо содержит нужные биоактивные компоненты, потому что наша кость участвует в жизнедеятельности организма. Кость состоит из коллагеновых волокон, которые придают упругость, и минерального гидроксиапатита – это химическое соединение кальция, фосфора, кислорода. Если мы создадим имплантат из таких химических элементов, как кальций, фосфор, то мы сможем добиться химического сходства с костной тканью и обеспечить функциональные характеристики. Сейчас гидроксиапатит получают из измельченных костей или химически синтезируют и вводят в структуру имплантатов. Если в организм ввести имплантат с такими составляющими, то он сразу увидит перед собой нужные химические элементы для максимально быстрого сращивания.
Проблема современных имплантатов в том, что они плохо срастаются или у организма возникают нежелательные реакции на инородные объекты, поэтому требования, предъявляемые к костным имплантатам, суровые. Прежде всего, биосовместимость и биоактивность материала. При этом он должен быть биорезистентным, не портиться при имплантации в организм человека либо животного. Имплантат должен обладать механическими свойствами. Для современных имплантатов это большая проблема. Сейчас распространены имплантаты на основе титановых сплавов. С точки зрения прочности и биосовместимости это хорошие имплантаты, но у них есть заметный недостаток – высокая жесткость. Если разность между модулем упругости кости и модулем упругости имплантата высокая, тогда возникает ремоделирование кости – явление, когда кость остается без нагрузки и нагрузку принимает на себя жесткая часть – имплантат, поэтому кость слабеет, возрастает риск возникновения вторичного перелома. Поэтому усилия материаловедов направлены на то, чтобы подобрать необходимые свойства имплантатов, максимально близкие с реальной костной тканью.
В современной медицине используются имплантаты на титановой основе, на основе магния, полимерные имплантаты на основе инертных материалов: полиэфирэфиркетон, сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Другие имплантаты создают на основе биорезорбируемых материалов: полилактид, полигидроксибутират, полигликолиды. Вариантов много. Биорезорбируемые материалы – отдельная интересная тематика, потому что возникают ситуации, когда нужно возместить участок костной ткани на короткий период времени, а после этого организм сам сможет вырастить новую кость. Для таких целей создают имплантаты, которые рассасываются в организме человека, разлагаясь на воду и углекислый газ, а на их месте вырастает собственная кость. Самые выгодные структуры биорезорбируемого материала – структуры, включающие кальций, фосфор, гидроксиапатит или кальций-фосфат, октакальций фосфат. Сейчас биорезорбируемые материалы создают на основе металлов. Например, магний способен окисляться под действием биологических жидкостей и постепенно рассасываться, несмотря на то, что это важный элемент, который нужен организму. Главная проблема для магния – скорость резорбции (рассасывания), потому что в ходе нее выделяются пузырьки водорода, которые оказывают негативное влияние на организм и на процесс сращивания имплантата с костной тканью.
Подобрать нужный материал и химический состав – это только первая часть работы. Другой важный фактор – имитировать структуру. Структура костной ткани разнообразная. Если мы хотим воспроизвести пористую или губчатую кость, то необходимо создавать в материале поры определенного размера и формы, потому что клетки костной ткани имеют размеры в несколько десятков микрометров. Кровеносные сосуды имеют другие размеры, поэтому пористость должна обеспечивать прорастание нужных типов ткани для максимальной интеграции имплантата с организмом.
Примером имплантата служит и гибрид – совмещение в одном имплантате разнородных материалов, таких как полимер и металл. Имплантат-гибрид трубчатой кости будет пористый внутри, затем идет слой металла, который берет на себя нагрузку, и потом полимерный слой с нужной биоактивностью. Такой имитацией реальной костной ткани занимается биомиметика (от слов βίος и μίμησις – воспроизводство природных структур). Современные технологии, в том числе 3D-печать, позволили воспроизводить не только микроструктуру, но и внешнюю геометрию, которая очень важна при установке имплантатов. Когда устанавливается имплантат, важно, чтобы его границы совпадали с костной тканью, соблюдалась конгруэнтность границы. С помощью компьютерной томографии научились сканировать место для будущего имплантата, затем по компьютерной томограмме его печатают. Например, имплантат, который устанавливают коту с остеосаркомой, состоит из титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере. Внутрь основы поместили высокопористый материал, имитирующий губчатую ткань, а сверху положили изолирующий слой полимера. Такой гибрид позволяет не только имитировать внутреннюю структуру, но и придает внешнее сходство с костной тканью.
При создании гибрида получаются имплантаты, которые восполняют большие структурные дефекты. Например, использование комбинации металлической сетки и пористого имплантата. Заплатка из таких материалов может нести нагрузку, но и быстро сращиваться за счет пористой части. Для ускорения приживления имплантата в него вводят факторы роста – белковые молекулы, позволяющие активировать рост костной ткани. Используются белки BMP-2, TGF-beta, факторы роста, стимулирующие образование кровеносных сосудов. Такие сигнальные молекулы кричат клеткам костной ткани, что им нужно сближаться и начать выстраивать новую костную ткань.
Сигнальные молекулы – это не единственный способ ускорить процесс приживления имплантата. Сейчас в науке применяют клеточно-инженерные и тканеинженерные имплантаты. Для создания первых используют клетки пациента, например, из костного мозга. Это мезенхимальные мультипотентные стромальные клетки, которые не до конца определились, поэтому из них получается и костная ткань, и хрящ, и жировая ткань. Если поместить эти клетки внутрь имплантата на нужную поверхность, то они начнут дифференцироваться в нужном направлении. Эту дифференцировку стимулируют введением факторов роста или созданием нужного окружения. Работа с такими имплантатами – передний край биоматериаловедения. Усилия биологов, материаловедов, медиков направлены именно на создание оптимальных клеточно-инженерных конструкций, которые позволят нам создавать клетки костной ткани внутри имплантата. Следующий шаг – создание тканеинженерных конструкций. Берется каркас будущей костной ткани, выполненный из синтетических материалов, которые имеют нужную анизотропию пор – поры в форме вытянутых трабекул. Если воспроизвести эту структуру – скаффолд, каркас, – такой каркас можно совмещать с тканями. С помощью 3D-биопринтинга каркас можно будет совмещать с клеточными сфероидами, которые будут интегрироваться друг с другом и создавать будущую костную ткань на поверхности каркаса.
Другая проблема, связанная с имплантологией, – присоединение инфекций. Сейчас 15–20% операций заканчиваются присоединением инфекций. С этим борются с помощью нанесения на поверхность костного имплантата антибиотиков или других антибактериальных веществ, но они снижают скорость остеоинтеграции и могут негативно влиять на клетки организма. Технология сверхкритических флюидов связана с введением нужных антибактериальных веществ в имплантат. Это состояние вещества, которое позволяет хорошо проникать в сплошные и непористые материалы. С помощью сверхкритического диоксида углерода молекулы антибиотика заставляют проникать внутрь непористого имплантата. Эти молекулы постепенно выходят на поверхность имплантата и медленно убивают нужные микроорганизмы, а не действуя всей дозой сразу. С помощью этой технологии в имплантаты можно вводить не только антибактериальные вещества, но и противоопухолевые препараты.
Сейчас 4D-печать становится еще одной важной областью, в которой работают с костными имплантатами. 4D-печать – это 3D-печать, где используют материалы с памятью формы. Из таких материалов можно печатать костный имплантат в виде сжатой формы, помещать в костный дефект, и под действием температуры человеческого организма этот имплантат распрямится, плотно вставая в костный дефект. Имплантаты станут самоустанавливающимися, и для их установки будут проводить малоинвазивные операции. Сейчас эта технология находится на стадии лабораторных исследований, она дает потенциальные возможности для использования новых материалов в имплантологии.
Об авторе:
Федор Сенатов – кандидат физико-математических наук, сотрудник научно-исследовательской лаборатории гибридных наноструктурных материалов, Научно-исследовательский центр композиционных материалов НИТУ «МИСиС».
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru