Libmonster ID: UA-1951

Share this article with friends

Кандидат технических наук В. С. КОМЛЕВ, доктор технических наук С. М. БАРИНОВ, Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН

У миллионов людей в результате травм и таких заболеваний, как остеомиелит, остеосаркома, остеопороз, поражаются костные ткани. Ныне медицина, например онкология, спасает жизнь многим пациентам за счет новых методов расширенных хирургических вмешательств, нередко, к сожалению, приводящих к обширным послеоперационным костным дефектам. Устранить повреждение, восстановив тем самым нормальное функционирование органа, можно с помощью имплантата. Но выбор материалов, пригодных для этих целей, остается проблемой.

В идеальном случае внедряемая субстанция должна обладать свойствами, во-первых, биологической совместимости - не быть токсичной, не вызывать отрицательных иммунных и других реакций со стороны организма, т.е. не отторгаться им как инородное тело, во-вторых, быть активной, иными словами, образовывать непосредственную связь с костной тканью и, возможно, индуцировать процессы ее образования. А еще - сохранять функциональные качества определенный период времени, например не подвергаться резорбции (растворению) в организме, не изменять существенно свою структуру и механические свойства.

Многие материалы были опробованы для этих целей. Изначально предпочтение отдавали биологически инертным, нетоксичным и устойчивым к биохимическим воздействиям организма: коррозионно-стойким металлам (титан и его сплавы, нержавеющая сталь), корундовой керамике и пластмассам (полиметилметакрилат, высокомолекулярный полиэтилен). Однако реакций отторжения избежать не удалось, поэтому все вышеперечисленные материалы нашли лишь ограниченное применение в реконструктивно-восстановительной хирургии. Пожалуй, наиболее распространенная конструкция такого рода - эндопротез тазобедренного сустава. Способность его деталей к интеграции с костной тканью достигается нанесением биоактивных покрытий.

Гораздо чаще в настоящее время используют термически обработанные (для удаления органической составляющей) алло - и аутографты. Первые представляют собой "мертвую" костную ткань донора, вторые - самого больного. Применение для имплантации аллографтов связано с опасностью инфицирования, отрицательных иммунных реакций, неконтролируемой резорбции, а аутографтов - с необходимостью дополнительных хирургических вмешательств для извлечения участка здоровой кости, что, увы, проблематично для здоровья пациента и практически нереально в случае необходимости замещения значительных по объему дефектов. Долго существовало мнение: полной биологической совместимостью

стр. 27


обладают только аутогенные ткани, поэтому усилия исследователей были направлены на создание подобных. Значительный прогресс достигнут лишь благодаря материалам на основе апатитов - веществ, близких по химическому и фазовому составу к костной ткани.

Революцией в реконструктивно-восстановительной хирургии стала разработка нового метода, названного инженерией костной ткани, всего десятилетие назад показавшегося бы фантастикой. В данном случае организм сам восстанавливает поврежденную ткань, если для этого созданы надлежащие условия: имеется матрикс соответствующей архитектуры, на котором происходит наращивание ткани, и необходимые стимулы для остеогенеза. Предложенный метод заключается в культивировании стромальных (соединительно-тканных) стволовых клеток пациента и определенных биомолекул в биологически совместимом с организмом пористом матриксе. Затем такой имплантат помещают в дефектный участок кости.

В результате пролиферации (разрастания) и дифференцировки (видоизменения) стромальных клеток формируется новая костная ткань в поровом пространстве в соответствии с заложенной генетической информацией. Естественно, должны использоваться стволовые клетки самого пациента, обладающие достаточно высокой способностью к преобразованию в остеообразующие. Поскольку с возрастом клеточная активность снижается, возможный выход из этой ситуации - создание индивидуального банка стромальных клеток, когда человек еще молод. В матрикс могут вводиться также морфогенетические, придающие свойства остеоиндуктивности, другие протеины, факторы роста, белки (коллаген), лекарственные препараты.

А теперь заглянем в недалекое будущее. Пациент обращается в клинику на предмет восстановления дефектной костной ткани. Врач-инженер моделирует в компьютере трехмерную структуру и создает прототип матрикса с учетом всех анатомических особенностей (строение кости, расположение кровеносных сосудов, нервных окончаний и т.д.). Больной сдает анализы для получения генетической информации, ему делают пункцию костного мозга для извлечения стромальных стволовых клеток, или же просто используют его индивидуальный банк. По модели инженер-технолог из биосовместимого материала изготавливает матрикс, а биолог культивирует в нем клетки. Конструкцию выдерживают в специальном реакторе с добавлением протеинов, факторов роста и дифференцировки, других препаратов, необходимых для жизнедеятельности клеток. Затем врач имплантирует пациенту эту "живую" структуру. Важно, чтоб она была способна адаптироваться к динамически изменяющимся физиологическим условиям и эволюционировать во времени так, как "родная" ткань.

Для реализации данной технологии прежде всего надо создать материал, удовлетворяющий определенным требованиям. Он должен быть

стр. 28


биосовместимым, биоактивным, обладать заданной кинетикой биорезорбции в организме, т.е. рассасываясь, постепенно замещаться костной тканью, кроме того, позволяющим изготавливать требуемую по форме, размерам и структуре конструкцию. И наконец, прочным, чтобы в переходный период орган мог без разрушения выдерживать физиологические нагрузки. Опробованы многие варианты, но наиболее перспективными оказались некоторые полимеры и кальций-фосфатная керамика.

Несмотря на значительные преимущества по технологичности и механическим свойствам, биосовместимые полимеры обладают существенным недостатком из-за вероятной токсичности продуктов их деструкции, либо кинетикой резорбции, несовместимой с процессом остеогенеза. Поэтому усилия исследователей направлены на разработку керамических матриксов. Идеальна для этой цели, как показывает практика, апатитовая кальций-фосфатная керамика, поскольку минеральная составляющая костной ткани представлена в основном гидроксиапатитом кальция и на такой основе организм не воспринимает имплантат как чужеродное тело. Среди необходимых свойств - достаточно большая открытая пористость, причем поры должны быть взаимосвязанными, чтобы обеспечивать биологические потоки, и достаточно крупными - для поддержания жизнедеятельности остеобластов, строящих костную ткань. Предполагаемый минимальный размер открытых пор - 150 мкм.

Следующее важное качество - прочность, способность выдерживать нагрузки в период формирования новой костной ткани и медленная резорбция, т.е. сохранение структуры и свойств по крайней мере в течение 2 - 3 месяцев после имплантирования. Важна и способность активно адсорбировать протеины из плазмы крови, для чего желательно наличие тонких пор и шероховатость поверхности. Керамический матрикс желательно пропитать лекарственными препаратами для подавления в окружающих тканях инфекций, которые могут быть занесены при манипулировании.

В Институте физико-химических проблем керамических материалов РАН создана оригинальная технология изготовления пористых матриксов на основе апатитовой керамики. Для этого, осаждая из водных растворов, синтезируют нанодисперсные порошки данного материала с различным варьируемым частичным замещением катионов и анионных групп - для достижения требуемых химических свойств продукта. Порошки суспендируют в растворе биополимера. Высокоскоростное перемешивание этой суспензии в несмешивающейся с ней жидкостью позволяет получить сферические гранулы. Размер их может быть практически любым - от десятков до тысяч микрометров, в зависимости от условий гранулирования. Формованием таких гранул с последующей термической обработкой для спекания между собой и выжигания полимера получают пористую керамику с внутригранульными порами

стр. 29


от 10 нм до 10 мкм или же со взаимосвязанными открытыми порами от 100 мкм и выше.

Матриксам такой микроструктуры можно придать любую необходимую форму и размеры. Кинетика резорбции регулируется либо химическим составом керамики (трех-кальциевый фосфат, например, растворяется намного быстрее, чем гидроксиапатит), либо степенью кристалличности (кристаллизация гидроксиапатита в продукте синтеза снижает скорость резорбции). Очевидный недостаток описанных структур - низкая их прочность (при открытой пористости около 60% менее 1 МПа при растяжении). Разработан способ десятикратного ее повышения (более 10 МПа) посредством частичной пропитки биополимером, не приводящей к существенному сокращению числа пор.

Предложенные нами пористые керамические матриксы испытаны in vitro на адсорбцию протеинов плазмы крови, пролиферацию остеобластов и фибробластов (последнее - совместно с Московским научно-исследовательским онкологическим институтом им. П. А. Герцена (МНИОИ)). Результаты продемонстрировали отсутствие токсичности к клеткам и отличные адгезивные (сцепляющие) свойства. Разработана технология и проведены эксперименты по пропитке матриксов различными лекарственными препаратами, в том числе антибиотиками. Экспериментами in vitro (совместно с клиникой Университета Мио, Япония) доказана пролонгированность до 40 суток возможности выделения лекарственных препаратов из матриксов, что важно в терапии остеомиелитов. Исследования in vivo (с тем же университетом) продемонстрировали превосходную биоактивность материала при имплантировании в берцовую кость кроликов. В МНИОИ успешно проведены опыты по культивированию стромальных стволовых клеток человека в указанных матриксах. Близятся клинические испытания.

Вопросы, связанные с использованием клеточной инженерии костных тканей, обсуждали в Европейской комиссии на специальном заседании Комитета по технологии и науке. В заключительном документе отмечено, что потенциальный риск таких технологий ниже, чем, например, трансплантации с участием донора, поскольку источником биологического материала является сам пациент. Правда, существует опасность внесения инфекции при манипулировании, но ведь ее порой не удается избежать и при других хирургических вмешательствах. Остаются невыясненными некоторые биологические последствия взаимодействия клеточных культур с компонентами матрикса. Хотя последнее вряд ли приведет к существенным отрицательным последствиям, поскольку уже упоминавшийся гидроксиапатит и материалы на его основе широко применяются без противопоказаний в клинической практике более двух десятилетий.


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-КОСТНЫЕ-ТКАНИ-РЕМОНТИРУЕТ-КЕРАМИКА

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Григорий ГалушкоContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Galushko

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Проблемы. Поиск. Решения. КОСТНЫЕ ТКАНИ "РЕМОНТИРУЕТ" КЕРАМИКА // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 19.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-КОСТНЫЕ-ТКАНИ-РЕМОНТИРУЕТ-КЕРАМИКА (date of access: 28.07.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Григорий Галушко
Portland, United States
819 views rating
19.06.2014 (2597 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
Превращаясь в пыль, литий неизбежно поднимается в воздух и отравляет все живое вокруг. Самое меньшее, чем грозит литиевая пыль – это слепота. Погибает рыба, питьевая вода становится непригодной для употребления. Кроме того вода является главным ресурсом для добычи лития. Ее катастрофические сокращение отмечают местные жители всех разрабатываемых месторождений.
Catalog: Экология 
21 hours ago · From Naina Kravetz
БОЛГАРСКИЕ СЛУШАТЕЛИ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОФИЦЕРСКОГО КЛАССА (1901-1914 годы)
Catalog: История 
Yesterday · From Україна Онлайн
ДИНАСТИЧЕСКАЯ ДИПЛОМАТИЯ В РОССИЙСКО-ФРАНЦУЗСКИХ ОТНОШЕНИЯХ 1856-1870 годов
Catalog: Право 
Yesterday · From Україна Онлайн
ФРАНЦИЯ И РАСШИРЕНИЕ ЕВРОПЕЙСКОГО СОЮЗА НА ВОСТОК
Yesterday · From Україна Онлайн
ЗАРУБЕЖНАЯ ИСТОРИОГРАФИЯ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ ПРАВИТЕЛЬСТВ М. ТЭТЧЕР И ДЖ. МЭЙДЖОРА (1980 - 1990-Е ГОДЫ)
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ЛОРД ПАЛЬМЕРСТОН В ЕВРОПЕЙСКОЙ ДИПЛОМАТИИ
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ОБЩЕЕ СОБРАНИЕ ОТДЕЛЕНИЯ ИСТОРИКО-ФИЛОЛОГИЧЕСКИХ НАУК РАН
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ВАЖНЫЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ИСТОРИИ США XIX ВЕКА
Catalog: История 
2 days ago · From Україна Онлайн
ИМПЕРАТОР БОКАССА I И ВЛАСТЬ В ПОСТКОЛОНИАЛЬНОЙ АФРИКЕ
Catalog: История 
5 days ago · From Україна Онлайн
СРАЖЕНИЕ ЗА КРИТ В МАЕ 1941 ГОДА
Catalog: История 
5 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
Проблемы. Поиск. Решения. КОСТНЫЕ ТКАНИ "РЕМОНТИРУЕТ" КЕРАМИКА
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones