Технологии восстановления костных тканей
Как создают материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани? Почему сегодня гидроксиапатит практически не используют в клинической практике? Какие материалы используют для инженерии костной ткани? На эти и другие вопросы отвечает доктор технических наук Владимир Комлев.
Нужно начать с определения, какая существует проблема и ее актуальность. Это проблема замещения или регенерации костных тканей или тканей у человека. Для этого применяются различные материалы и имплантаты, и существует достаточно много различных подходов. Один из них — так называемая инженерия тканей — базируется на принципах биоминерализации.
Костная ткань — это неорганический и органический композиционный материал, приблизительно 70% неорганической составляющей и 30% органической составляющей ткани. Неорганическая составляющая ткани состоит из биологического гидроксиапатита, но не стоит путать его с синтетическим материалом. Органическая составляющая состоит из коллагена различных типов. В основном это может быть первый, второй тип, различные белки, пептиды и так далее.
Проблема, которую мы решали, — это создать материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани, то есть к биологическому гидроксиапатиту. Еще в конце XIX — начале XX века проводились исследования, которые базировались на исследованиях деминерализованной костной ткани, то есть мертвой ткани того же самого пациента. Проблема состоит в чем? Существует дефект определенного размера и определенной геометрии. В любом случае этот дефект нужно заместить каким-то материалом, иначе не будут происходить процессы остеогенеза, то есть не будет расти костная ткань, нарушится биомеханика и биомеханические свойства, и, таким образом, пациент остается инвалидом. Поэтому задачей человека был поиск таких материалов.
Вначале использовали деминерализованные ткани как животных, так и самого человека. Надо сказать, что есть определения для этих материалов. Так называемые ксенотрансплантаты — материалы, которые берутся от животных, обрабатываются определенным способом, и получается материал. Есть аллотрансплантаты — берутся от скончавшихся пациентов. Есть другой тип трансплантата — аутотрансплантаты, когда берется кость у пациента. Можно привести пример: берется кость из ребра и подсаживается в место дефекта на челюстно-лицевой зоне.
Все эти материалы имеют определенные недостатки. Если говорить о ксенотрансплантатах, то они могут служить источником вируса, вирусных заболеваний. Помимо этого, они не будут достаточно биосовместимы с организмом человека-реципиента. Если говорить о проблемах аутотрансплантатов, то объем тканей достаточно ограничен, то есть нельзя вырезать большой объем костной ткани, допустим, из ребра и переместить его в челюстно-лицевую зону или в другое место.
Таким образом, встал вопрос о создании синтетических материалов. Неорганическая составляющая — это биологический гидроксиапатит, поэтому существуют и были разработаны различные подходы по его синтезу. Первые работы начинаются в конце XIX — начале XX века. В этих работах использовали синтетический гидроксиапатит, или гидроксиапатит природного происхождения. Было показано, что данный материал является биосовместимым, его возможно применять при замещении дефектов костной ткани. В дальнейшем эти работы получили развитие в 60–70-х годах в том числе японскими исследователями. Аоки показал, что такие материалы при определенной структуре могут абсорбировать белки крови и таким образом могут служить для замещения тканей. Впоследствии мы пришли к тому, что данные керамические материалы получили достаточно широкое распространение в травматологии, ортопедии, в челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии.
Здесь нужно отметить следующий тренд: в 80–90-х годах использовали синтетический гидроксиапатит.
На данный момент в клинической практике его практически не используют. Почему это произошло? Потому что синтетический гидроксиапатит — это наиболее стойкий, нерастворимый материал в организме. А какая тенденция в материалах должна быть? У материала должны быть определенные свойства, эти свойства уже заложены, и они достаточно хорошо известны специалистам.
Первое — материал должен быть биосовместимым, то есть не отторгаться организмом человека. Второй из полагающих пунктов — материал должен биодеградировать, рассасываться, растворяться со временем и замещаться новообразованной костной тканью. Третий основной параметр — этот материал должен нести определенные механические нагрузки и, помимо всего этого, обладать определенной структурой, так называемой архитектоникой, пористостью, взаимосвязью пор, чтобы обеспечить васкуляризацию, потоки в этом материале.
Можно представить, что у нас есть какая-то определенная губка, которая позволяет в организме прорастать различными процессами. Поэтому гидроксиапатит на данный момент не применяется, и тенденция направлена на то, чтобы создать синтетический материал на основе тех же самых фосфатов кальция, которые будут наиболее биосовместимы с организмом и впоследствии будут биодеградировать и растворяться, но при этом замещаться костной тканью. Поэтому работы на данный момент направлены на различные фосфаты кальция, такие как трикальцийфосфат, октокальцийфосфат и предшественника октокальцийфосфата дикальцийфосфат дигидрат, с целью получения наиболее оптимальных материалов.
При этом любой материал является остеокондуктивным. Определение остеокондукции таково: материал служит матриксом, служит как бы лесом, подложкой для строительства тканей, но он не стимулирует рост костной ткани. Последняя тенденция — это создание биоинженерных конструкций, когда к определенному неорганическому материалу добавляется органическая составляющая. Это могут быть мезенхимальные мультипотентные клетки, морфогенетические протеины или последний тренд — использование генных конструкций. Но ключевым моментом является сам материал.
Как я уже сказал, костная ткань является неорганическим биологическим гидроксиапатитом, и поэтому все предпосылки идут к созданию керамических материалов. Но здесь нужно не упустить момент, что для создания таких материалов используют и полимеры, и металлы, и оксидную керамику. Например, в 60–70-х годах использовали различные стали и сплавы, но они не нашли широкого применения, так как они впоследствии капсулируются организмом и отторгаются. Для инженерии костной ткани используют различные материалы: керамику, полимеры. Определенные перспективы представляет собой использование полимерных материалов, в отличие от керамики, так как керамика по своей природе является хрупкой, особенно кальцийфосфатная керамика — ее прочность при сжатии, при растяжении не достигает требуемых значений, которые сравнимы с костной тканью у пациента. Поэтому другой путь развития биосовместимых материалов — это создание биополимерных конструкций для этих же целей. В основном используют материалы на основе двух классов — это условно биополимеры и синтетические материалы. Яркий представитель синтетических материалов — это полилактиды, которые используются в данном направлении.
В отношении биополимеров можно перечислить такие материалы, как коллаген, полисахариды. Полисахариды включают в себя различные хитозаны, альгинаты и, допустим, пектин. Это наиболее представительные классы биополимеров, которые используются для создания как имплантатов, так и матрикса для носителей различных биоактивных веществ.
Полимеры обладают достаточно большим преимуществом: изменяя или взаимодействуя, играя с молекулярным весом, с технологиями обработки, полимеризацией, минерализацией этих полимеров, можно создать материалы с достаточно высокими прочностными свойствами, допустим, с заданной эластичностью. Определенные перспективы представляет собой создание эластичных губок. Можно представить себе так: полимер растворяется в водном растворе, потом вспенивается со специальным вспенивающим агентом, замораживается через лиофильную сушку, чтобы убрать воду, и у вас получается губка. Эта губка эластична, и эластичность составляет до 80–90%. Таким образом, этот эластичный материал можно поместить, допустим, в дефект, где эта губка распрямится и займет полный объем этого материала.
Другой путь — это создание композиционных материалов на их основе, то есть на основе керамики и на основе органических полимеров, таких как коллаген.
Существует несколько технологий. Они достаточно широко применяются в создании этих материалов. Одна из самых примитивных, которая используется уже достаточно давно, — это механическое смешение полимера, допустим, с керамическим порошком или агломератами. Таким образом, создается композит, который армирован, полимер армирован частицами фосфатов кальция. Есть обратная технология, когда используют керамический каркас, который пропитывают полимером, таким образом упрочняют саму керамику и обеспечивают определенный слой по поверхности пор керамического материала.
Есть третий альтернативный подход, который развивается достаточно недавно, — это использование так называемых аддитивных технологий, когда с использованием быстрого прототипирования — это может быть стереолитография, печать — можно создавать по моделям определенные материалы, а также их композиты с использованием как полимеров, так и керамики, то есть послойное создание образов на основе определенной информации.
Самый простой пример: пациент, он попал в госпиталь, в медицинское учреждение, у него проблема с дефектом, ему нужно заместить этот дефект каким-то определенным материалом. Ему в этом учреждении делается компьютерная томография или ЯМР-томография, по данным снимка создается компьютерный образ, подается данный сигнал на принтер, и условный принтер печатает запасную часть, запасное изделие для человека.
И в принципе это на данный момент реализуется в различных направлениях, и это не является таким отдаленным будущим, это ближайшее будущее. Ведутся различные разработки в данном направлении — как по созданию просто керамических материалов путем струйной трехмерной печати, так и по созданию материалов на основе полимеров с использованием подходов стереолитографии — один из самых ярких примеров. Данные материалы находятся на уровне научно-исследовательских работ, поэтому в перспективе возможно создание таких материалов, которые могут быть просто напечатаны на каком-то определенном принтере с использованием определенных моделей и образов.
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
