ЛУЧШЕ ТИТАНА

Универсальный подшипник

Костная ткань человека обладает способностью к регенерации, но при больших разрушениях (например, в случае тяжелых травм или онкологических заболеваний) это становится невозможным. Только в России в год проводится около 70 тыс. операций по частичной замене костей.

Подобрать материал для создания имплантатов непросто. Он должен быть совместимым с организмом, обладать нужными механическими свойствами, обеспечивать устранение дефекта и инициировать процессы регенерации. Золотым стандартом трансплантологии долгое время была пересадка фрагментов тканей пациента либо донорских костей. Однако их использование сильно осложняется необходимостью стерилизации, в ходе которой нужно полностью избавиться от клеток предыдущего владельца.

Другой вариант – имплантаты из металлов (в частности, титана) или керамики. Неоспоримым преимуществом металла является высокая прочность. Но это же создает проблему в связи с несоразмерностью механических характеристик имплантата со свойствами ближайших к нему тканей, что может привести к их деградации. К другим недостаткам металлических сплавов можно отнести высокие риски бионесовместимости (аллергические реакции). Ну а если говорить о керамических имплантатах, то их отличает достаточно низкая прочность, что может приводить к разрушению. Особенно остро все эти проблемы встают, когда приходится делать сложный подвижный имплантат, к примеру, искусственный сустав, да и любой аналог губчатой костной ткани – костей скелета, сочетающих прочность с подвижностью.

Поэтому специалисты НИТУ «МИСиС» решили пойти другим путем и взяли в качестве основы для своей работы СВМПЭ. По показателю «прочность – вес» изделия из него превосходят сталь. Кроме того, данный вид поли­этилена хорошо сохраняет свойства в агрессивных средах – его используют даже в арктических проектах (варианты создания из него подшипников для вездеходов также прорабатываются в университете). «Близость этих двух тем неслучайна, ведь суставы являются природными подшипниками. Получается, мы делаем просто два их вида», – говорит Федор Сенатов, руководитель работ, научный сотрудник центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС».

Многослойный имплантат

У СВМПЭ есть несколько особенностей, осложняющих работу с ним. Он обладает колоссальной вязкостью и практически не течет при нагреве, как это делает большинство других пластиков. Поэтому для его обработки не подходит метод литья – расплавленная масса просто не попадает в форму и находится в некоем переходном, «резиновом» состоянии. То же самое касается почти всех видов экструзии. Собственно, именно эти факторы, несмотря на все достоинства материала, ранее сдерживали широкое его применение в медицине, где требуется высокая точность. Но в НИТУ «МИСиС» нашли выход из положения.

«Технология выглядит следующим образом. Вначале берется порошок полиэтилена и смешивается с водорастворимым агентом, после чего полученная масса спрессовывается при нагреве выше температуры плавления пластика, превращаясь в некий монолитный образец. Затем водорастворимый агент из него вымывается, причем для этого используется так называемая субкритическая вода, которая находится как бы между двумя агрегатными состояниями (жидкостью и паром) и нагнетается под большим давлением. Это позволяет избегать длительного кипячения, во время которого материал может быть поврежден. В настоящее время нам удается добиться отмытия достаточно крупных изделий (размером 15 х 10 см) всего за час-полтора, что доказывает эффективность выбранного нами способа и позволяет избежать использования химических растворителей, способных снизить биосовместимость изделий», – рассказал Федор Сенатов.

На выходе получается многоуровневый имплантат, который полностью повторяет структуру человеческих тканей. «Первый слой сплошной, он имитирует кортикальную кость для обеспечения механической прочности. Внутренний слой имеет поры, поэтому может быть колонизирован клетками реципиента, чтобы ускорить срастание с окружающими тканями и обеспечить прочную фиксацию имплантата в зоне дефекта», – говорит Федор Сенатов.

Особенностью имплантатов из СВМПЭ является возможность ориентирования внутренней структуры его молекул, что позволяет добиться заданных механических свойств конструкции. В частности, если речь идет о замене небольших участков костной ткани (например в челюстно-лицевой хирургии), то от имплантата не будут требоваться какие-то серьезные характеристики механической устойчивости.

«В случае же с замещением больших трубчатых костей (часть лучевой кости, как вариант) уже необходима высокая прочность изделия на разрыв, сжатие и изгиб, для достижения которой целесообразно применять ориентирование молекул и различные методы армирования, позволяющие почти в 200 раз увеличить стойкость материала к механическим воздействиям. Например, ничто не мешает нам применять для увеличения прочности слои других материалов (тот же титан), при использовании которых мы получаем композитный имплантат, который сохраняет все основные преимущества полимерного изделия», – говорит Федор Сенатов.

На всю жизнь

Безусловно, было бы невозможно говорить об успешном создании нового вида имплантатов силами только ученых-материаловедов. Помимо сотрудников НИТУ «МИСиС» в проекте заняты специалисты Российского онкологического центра им. Н.Н. Блохина и Государственного завода медицинских препаратов.

Лаборатория клеточного иммунитета, действующая на базе онкоцентра, уже более семи лет сотрудничает с НИТУ «МИСиС». «Наши текущие работы по синтетическим имплантатам являются логичным продолжением предыдущих разработок, которые были связаны с созданием имплантатов на основе донорских костей, подвергнутых специальной обработке (так называемой деиммунизации), исключающей возможность их отторжения организмом», – рассказал академик РАМТН, профессор, руководитель лаборатории Михаил Киселевский. Испытания проводились сначала на мелких животных, а затем – на крупных собаках молосских пород, которые чаще других страдают опухолевыми заболеваниями костей. 

«Однако основным минусом использования донорских костей является необходимость поиска подходящего донора, а также длительность обработки имплантатов. Именно эти сложности клинической практики и признаны устранить полимерные имплантаты», – говорит Михаил Киселевский.

Научная работа состояла из нескольких этапов. Вначале ученые проводили опыты in vitro (то есть вне живого организма): занимались поиском оптимальных материалов, созданием структуры имплантата и разработкой методов заселения его пористой части живыми клетками. Затем полимерные имплантаты прошли испытания in vivo – на мышах и крысах с дефектами бедренной кости. Исследования показали, что изделия хорошо вживляются в организм.

Проект постепенно расширяется. «Еще одно интересное направление, над которым мы трудимся совместно с Государственным заводом медицинских препаратов, – это наделение полимерного имплантата дополнительными лечебными свойствами. По-научному это называется импрегнацией сплошного слоя изделия биоактивным веществом, в качестве которого может выступать противоопухолевый препарат, противостоящий развитию онкологического заболевания. При этом лекарство будет вводиться в межмолекулярное пространство непористой части изделия, что возможно сделать только под большим давлением инертных газов. Сейчас имплантаты, модифицированные с помощью данного метода, проходят апробацию на собаках с дефектом лучевой кости», – говорит Михаил Киселевский.

Примерная схема практической работы с новым имплантатом должна выглядеть следующим образом. В НИТУ «МИСиС» разрабатывается материал, максимально точно воплощающий природную структуру костной ткани. Затем получившиеся образцы передаются сотрудникам онкоцентра, которые заселяют пористую часть живыми клетками. После этого изделие имплантируется пациенту с хорошей гарантией того, что оно приживется в организме. Кстати, хирурги могут в случае необходимости прямо во время операции корректировать геометрию протеза обычным скальпелем в силу податливости пластика (с титаном, понятно, такое делать невозможно).

Костные имплантаты можно ставить на весь срок жизни пациента, поскольку СВМПЭ не подвержен разложению в организме, а его прочность позволяет ему выполнять свои функции в течение десятилетий. «Если говорить о существующих аналогах, то до настоящего времени в мировой трансплантологии использовались только пористые полимерные конструкции в комбинации с металлическими крепежными штифтами, которые не могли выдерживать значительных механических нагрузок и использовались, например, для замещения костей черепа. Полных же полимерных аналогов, позволяющих успешно замещать нагруженные трубчатые кости, в мире пока не существует», – говорит Михаил Киселевский. А это значит, что открываются новые возможности для мировой медицины.

Источник: neftehimia-journal.ru