Имплантационные материалы на основе гидроксиапатита в костнопластической хирургии

> Статьи > Традиционная медицина > Имплантационные материалы на основе гидроксиапатита в костнопластической хирургии

Новые технологии

Х. А. Мусалатов, В. Г. Германов, Московская медицинская академия им. И. М. Сеченова

Анализ научной медицинской литературы, практика ведущих медицинских научных центров свидетельствуют о появлении и начавшемся применении в современной медицине новых имплантационных материалов на основе гидроксиапатитов (ГАП-содержащих материалов). Физико-химические свойства и структура материалов позволяют их рассматривать в качестве матрицы для образования молодой костной ткани, что дает возможность их использовать в качестве пластического материала для замещения костных дефектов наряду с традиционной костной пластикой, а некоторые имплантаты и для стимуляции остеогенеза при сниженных репаративных возможностях костной ткани. В этом смысле новые материалы, дополняя, а в ряде случаев и заменяя костную пластику, могут обозначить новое направление в костнопластической хирургии и имплантологии. Применение этих материалов в современных условиях становится особенно актуальным в связи с появлением заболеваний, передающихся через различные среды организма, в частности, через кровь. Однако, технология применения имплантатов на основе ГАП-материалов при различных патологических состояниях, особенности остеогенеза на их основе при различных патологических ситуациях до конца не изучены.

В настоящее время на рынке ГАП-имплантатов существует большое количество изделий и препаратов различных зарубежных и отечественных фирм. Мы попытаемся сгруппировать доступные ГАП-материалы согласно их физико-химическим характеристикам, способности взаимодействия с костной тканью и исторической последовательности появления.

Предшественником изделий из ГАП-материалов является широко известная биокерамика (корундовая, циркониевая). Керамика не обладает сходством в строении с костной тканью. Этот материал считается инертным в отношении возможности взаимодействия с костью, так как при прорастании костной ткани не происходит химического взаимодействия между имплантатом и костью. Кость прорастает только в поры поверхностного слоя материала. Из-за разных прочностных характеристик керамики и костного вещества может наблюдаться износ и разрушение последнего. Поэтому имплантацию керамических изделий, например, протезов тел позвонков, часто дополняют пересадкой ауто - или аллокости.

Следующий шаг – создание биологически активных материалов, способных взаимодействовать с костным ложем путем биохимических связей с костью или коллагеновыми волокнами – то, что называется остеокондуктивностью. Представителями этой группы являются биоактивные стекла. Последние оказались перспективными для покрытия металлических частей имплантатов (эндопротезов). Большой механической прочностью биостекла не обладают. Впрочем, совершенствование этих материалов продолжается и в настоящее время. На I Всероссийской конференции по применению биокомпозиционных материалов в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии, состоявшейся в ноябре 1997 года, впервые было доложено об использовании в качестве протеза тела шейного позвонка материала БАК-1000. Это отечественный материал, разработанный в Российском химико-технологическом университете. Его полное название – биоактивный апатитовый композит. Состоит он из стекловидной химически нейтральной Na-Al-Si-матрицы, выполняющей роль каркаса. На поверхности и внутри перегородок последнего равномерно распределен гидроксиапатит. Ячеисто-канальная поровая структура материала с размером пор от 100 до 500 мкм и присутствие ГАП делает его подобным минеральной части губчатой кости. БАК-1000 не обладает достаточной прочностью, позволяющей отказаться от внешней иммобилизации. Таким образом, биостекла можно считать промежуточным материалом между инертными в биологическом отношении материалами и гидроксиапатитом (ГА).

Имплантационные материалы на основе гидроксиапатитов, применяемые в медицине, составляют довольно обширную группу и не все из них используются в травматологии и ортопедии. С физико-химической точки зрения это керамика или порошки на основе кальция и фосфора. В зависимости от тонкостей технологического процесса изготовления материалы различных фирм отличаются физико-химическими характеристиками и особенностями взаимодействия с костной тканью. В целом, как и любая керамика, ГАП-керамика не обладает большой механической прочностью. В зависимости от технологических особенностей и строения, некоторые виды ГАП-керамики способны при взаимодействии с биологическими тканями к постепенной резорбции и замещению костной тканью. В основном, именно они, используются в травматологии-ортопедии для костной пластики. Представляет эту группу керамики фирма “Интермедапатит”. Не резорбируемые виды гидроксиапатитовой керамики используются, в основном, в стоматологии.

К материалам нового поколения на основе искусственного гидроксиапатита относятся биокомпозиционные материалы, в строении подобные костной ткани. В структуру таких материалов, кроме гидроксиапатита, входит коллаген. Именно наличие коллагена, как матрицы для кристаллов гидроксиапатита, приближает эти материалы по строению к структуре биологической костной ткани. Эту группу материалов представляет КоллапАн (фирма “Интермедапатит”). Особенностью препарата является наличие в его составе антибиотика. Чтобы понять качественный рывок технологии производства композитных ГАП-материалов, необходимо вспомнить строение нормальной костной ткани.

Минеральное вещество кости состоит в основном из солей кальция (фосфатов и карбонатов). Последние структурно входят в состав, или образуют кристаллы гидроксиапатита:

Ca[Ca3(PO4)2]3OH2=Ca10(PO4)6(OH)2.
Фосфатные ионы могут частично замещаться карбонатом. Этот биологический гидроксиапатит отличается от геологического меньшим размером кристаллов (длинная ось 100-400А), менее совершенным атомным порядком, а также стехиометрией. Это дает значительно большую поверхность кристалла на единицу площади, высокую реактивность и большую растворимость. Следовательно, при взаимодействии с биологическими жидкостями кость легко производит обмен с ними различными ионами. Минерализация осуществляется вдоль фибрилл коллагена. Фибриллы, переплетаясь спирально между собой, образуют волокна коллагена, которые, в свою очередь, образуют четвертичные коллагеновые структуры. Между волокнами находится межуточное вещество – посредник обменных процессов в костной ткани. Безусловно, такое уникальное строение костной ткани в полной мере повторить в композиционных материалах пока невозможно. Познакомиться со строением биокомпозитных ГАП-материалов можно на примере препарата КоллапАн.

По данным фирмы-производителя, порошок гидроксиапатита (химическая формула Ca5(PO4)3OH) для материала КоллапАн получают по собственной запатентованной технологии криохимическим методом. Гидроксильные и фосфатные ионы могут частично замещаться карбонатом. Это по составу приближает данный ГАП к биологическому. Параметры порошка гидроксиапатита, производимого фирмой “Интермедапатит” (по данным фирмы-производителя):

удельная поверхность – 95 кв м/г;

субмикронный размер кристаллов – 0,02 мкм (образуют агломераты ~ 20 мкм);

молярное отношение Ca/P – 1,67 (в костях человека 1,37–1,77).

К сожалению, точный химический состав и соотношение его компонентов в ГАП-порошках других фирм в доступной литературе не указывается. Это не позволяет нам сравнивать продукцию различных фирм. Ультрадисперсный порошок ГАП фирмы “Интермедапатит” равномерно распределен в матрице из особо чистого коллагена второго типа и антибиотика. От большинства искусственных полимеров коллаген отличается полным отсутствием токсичности, канцерогенности, способностью полностью утилизироваться в организме, стимулировать репаративные процессы в тканях и образовывать прочные комплексы с лекарственными веществами. Антибиотик и микрокристаллы гидроксиапатита постепенно высвобождаются из коллагеновой матрицы при ее лизисе и разлагаются путем химических превращений до ионов Ca и P, входя затем в структуру костного регенерата, что было доказано методом изотопной метки. На частицах растворяющегося искусственного гидроксиапатита путем эпитаксиального роста осаждается биологический ГАП, составляющий минеральную основу будущей костной ткани. Морфологические и клинические исследования показали, что частицы ГАП при использовании материала КоллапАн в области дефекта костной ткани определялись внутри костных трабекул и практически их не было в межтрабекулярных пространствах. Экспериментальная часть работы выполнялась на крысах и кроликах. Патогистологическое исследование клинического материала показало, что на поверхности гранул КоллапАна формируется остеоидный матрикс, постепенно созревающий и превращающийся в зрелую пластинчатую кость, в которой определяются остатки резорбируемого гидроксиапатита. Таким образом, замещается материал новой костной тканью без образования фиброзной прослойки. Формирование новой кости начинается непосредственно на КоллапАне.

Антибиотик, входящий в состав материала постепенно выделяется в кость и сохраняет высокую антимикробную активность в течение 20 суток, после чего активность его снижается вдвое. Из антибиотиков в состав КоллапАна, обычно, входят линкомицин или гентамицин. Однако, по желанию заказчика, фирма-производитель в состав препарата может вводить любой антибиотик. Таким образом, как и все ГАП-содержащие препараты, КоллапАн обладает остеокондуктивностью, а присутствие в его составе коллагена и антибиотиков придает ему противовоспалительные, антимикробные и остеоиндуктивные свойства. Таким образом, физико-химические свойства и особенности взаимодействия ГАП-материалов с костной тканью и определяют область применения их в медицине.

В настоящее время имплантаты на основе гидроксиапатитов используются в различных областях медицины: в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии, ортопедии, костной онкологии, гнойной хирургии, хирургии позвоночника, нейрохирургии, военно-полевой хирургии.

Так, использование КоллапАна способствует более благоприятному течению раневого процесса, формированию полноценной костной мозоли, предупреждению гнойных осложнений. По данным Центрального института травматологии и ортопедии, при лечении огнестрельных переломов, осложненных инфекцией, применение КоллапАна сокращает сроки пребывания больных в клинике на 2–3 недели.

В гнойной травматологии КоллапАн используется для лечения остеомиелита. При этом препаратом заполняют костный дефект после обширных некрсеквестрэктомий. Положительный результат достигается после первичной операции по санации очага более, чем в 90 % случаев.

В ортопедической онкологии у больных со злокачественными и доброкачественными опухолями по данным литературы после выполнения резекции костной ткани для пластики дефектов использовался КоллапАн в сочетании с ГАП-керамикой. Рентгенологическая динамика поведения имплантатов в костной ране показала, что КоллапАн значительно быстрее замещается новой костной тканью по сравнению с ГАП-керамикой.

Широкое внедрение получили ГАП-содержащие материалы в стоматологии. Их используют сразу после тяжелых травматических экстракций зубов, при развившихся альвеолитах, при удалении кист челюстей различной этиологии путем их имплантации в дефект кости после цистэктомии. В том числе был использован и КоллапАн. Исследования показали, что он эффективен на фоне вялотекущего воспалительного процесса за счет пролонгированного действия выделяющегося антибиотика, а также способствует ускорению репарации в костной полости при рыхлой тампонаде ее этим материалом.

В Московском медико-стоматологическом университете исследована возможность проведения дентальной имплантации у пациентов с гипотрофией альвеолярного отростка. Больным выполнялась дентальная имплантация с синус-лифтингом и костной пластикой. Для восполнения и восстановления костной ткани в созданном объеме использовали костные аутотрансплантаты и КоллапАн. Через три месяца рентгенологически наблюдались признаки репаративной регенерации вокруг имплантатов. Авторы делают вывод, что “при недостатке костной ткани в области нижней челюсти дентальная имплантация может быть выполнена непосредственно при синус-лифтинге и аутокостной пластике в комбинации с материалом КоллапАн”. Другими словами, недостаток костного вещества можно восполнять, используя для этого аутокость и КоллапАн.

Изучение возможностей использования полезных свойств КоллапАна в травматологии-ортопедии проводится в ряде ведущих клинических центров страны. Одни из первых работ, посвященные оперативной вертебрологии, были выполнены на кафедре травматологии, ортопедии и хирургии катастроф Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова. Известно, что лечение некоторых повреждений и заболеваний позвоночника сопряжено с необходимостью расширенных резекций тел позвонков, что значительно снижает репаративные возможности костного ложа при замещении созданных дефектов костными трансплантатами или имплантатами и ухудшает их приживаемость. Разработан и внедрен в практику способ межтелового спондилодеза с использованием КоллапАна. Препарат создает условия оптимального течения репаративных процессов в костной ране; ускоряет формирование костного блока оперированных сегментов. Предложенная методика позволяет в ряде случаев обойтись без костной пластики, что существенно снижает травматичность и длительность оперативного вмешательства. Исследования возможности стимуляции остеогенеза продолжаются. Предложен и запотентован ряд методик оперативного лечения сложной ортопедо-травматологической патологии: медиальных переломов шейки бедра, несросшихся переломов и ложных суставов длинных костей. Рассматриваются вопросы использования имплантатов на основе гидроксиапатита для пластики дефектов черепа. Интересное продолжение работы кафедры – использование ГАП-материалов в комплексе с малоинвазивными видами оперативных методов лечения заболеваний и повреждений опорно-двигательной системы.

Таким образом, несмотря на ряд до конца не изученных вопросов, гидроксиапатит содержащие материалы находят все большее применение в медицине, особенно в травматологии-ортопедии. Они являются средством выбора при лечении целого круга сложной ортопедо-травматологической патологии.

16.12.2012


Посмотрите также:
Кариес – проблема половины населения планеты
Кариес – проблема половины населения планеты

Основная половина населения планеты страдает таким заболеванием, как кариес. Кариес на...
Против дряблости кожи круговая подтяжка лица
Против дряблости кожи круговая подтяжка лица

  Пока женщина молода, задумываться о состоянии своей кожи и своем внешнем виде ей не...
Причины возникновения ожирения
Причины возникновения ожирения

Ожирение на сегодняшний день является одной из самых распространенных проблем человечества. Это...
Что делать при радикулите?
Что делать при радикулите?

  Как известно, поясничный радикулит возникает из-за того, что поясничный отдел...
Дезинфекция: виды и способы
Дезинфекция: виды и способы

 Дезинфекцией называют мероприятия, которые имеют своей целью уничтожение различных...