Предмет «Физиологические аспекты создания и использования биоматериалов» (стр. 1 )

Предмет «Физиологические аспекты создания и использования биоматериалов»

Тема «Материалы для эндопротезов суставов»

Современные успехи эндопротезирования являются результатом не только возросшего мастерства хирургов, но и большего понимания того, как ткани организма взаимодействуют с имплантатами. Эндопротезы суставов стали изготавливать из материалов, которые сами, а также продукты их коррозии и изнашивания не вызывают в живых тканях острую реакцию отторжения. Биологическое воздействие организма на имплантированные материалы, обусловливающее их старение, а значит – снижение прочности и ухудшение триботехнических характеристик подвижных сопряжений, происходит в пределах, не приводящих к неплановому отказу эндопротезов. Ниже рассмотрен комплекс требований, предъявляемых к материалам имплантатов. Дан анализ номенклатуры металлических, керамических, полимерных и композиционных материалов, применяемых для эндопротезирования суставов. В заключение сделана попытка определить ближайшие тенденции материаловедения эндопротезов.

ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ

Ткани живого организма в контакте с инородными материалами формируют поверхность раздела, на которой они могут агрессивно воздействовать на имплантат. Жидкости организма содержат активные биологические вещества, например, ферменты – биологические катализаторы на основе белков, присутствующие во всех живых клетках. Они могут вырабатывать радикалы, разрушающие полимерные имплантаты. Сложные электролиты, входящие в состав биологических жидкостей, инициируют электрохимическую коррозию металлов и могут вызвать растворение керамических материалов. Поэтому немногие материалы остаются нетронутыми после имплантации. В чрeзвычайных случаях организм инициирует комплексные реакции, «атакующие» имплантат в результате чего возникает воспаление.

Современные представления о механизме реакций живых тканей на имплантат предполагают, что граница между ними динамична и сложна, рис. 1. В результате механической обработки, экспозиции на воздухе, стерилизации и воздействия биологического окружения поверхностный слой имплантата приобретает новую структуру. Его состав всегда отличается от состава материала в объеме имплантата. Поверхность металлических имплантатов покрывается оксидным слоем. Первой в контакт с ним обычно вступает сыворотка крови, белки которой адсорбируются на оксидах. Состав белкового адсорбированного слоя может изменяться в широких пределах в течение длительного времени [2].

Адсорбированные белковые молекулы вступают в донорно-акцепторное взаимодействие с оксидами имплантата, образуя комплексные химические соединения – лиганды. Рецепторы клеточных мембран избирательно взаимодействуют с этими лигандами. После того, как произойдет образование достаточного количества комплексов рецептор – лиганд, посылаются сигналы в ядро клетки в виде каскадов межклеточных химических реакций. Последние регулируют функции клеток, контактирующих с имплантатом – адгезию, видоизменение, осаждение матрикса (вещества, заполняющего внутриклеточные структуры) и т. п.

Адгезия макрофагов (клеток соединительной ткани) к имплантату и их слияние на его поверхности с образованием гигантских клеток является ответом ткани на инородное тело. Ответ зависит от таких факторов, как ориентация пептидов (веществ, синтезируемых клетками из аминокислот) или длина углеводородных цепей, иммобилизованных на поверхности имплантата. Регулируя ответ ткани, можно предупредить хронические и неблагоприятные реакции заживающей раны, от которых зависит, приживется ли имплантат.

Ответ можно регулировать путем выбора имплантируемых материалов.

Четыре типа реакций на имплантат приведены в табл.1.

Тип 1. Необходимо, чтобы имплантат не вызывал токсического действия, убивающего клетки тканей или высвобождающего химические соединения, которые могут мигрировать с кровью, лимфой и тканевыми жидкостями и вызывать системные повреждения организма.

Тип 2. Формирование вокруг имплантата фиброзной капсулы, является одной из самых распространенных реакций живой ткани. Капсула образуется для изоляции и последующего вытеснения чужеродного тела из организма. Эта защитная реакция возникает в результате воспалительного процесса, реагирующего на химическую структуру имплантированного материала. Имплантаты на рис. 2. а и б изготовлены из поликарбонатов, которые отличаются лишь структурой привитых к основной цепи алкил-эфирных групп. Спокойная реакция костной ткани на имплантат (а – привиты этиловые группы) изменилась на неблагоприятную, которая обусловила образование толстой фиброзной капсулы между костью и имплантатом (б – привиты акриловые группы). Образование капсулы происходит следующим образом.

Таблица 1.

Типы локальных реакций, протекающих на границе ткань–имплантат

Тип	Реакция имплантат–ткань	Последствия
1	Токсическая	Токсическое повреждение ткани Некроз, деструктивное воспаление, дистрофии и артрофии, дегенерация
2	Биоинертная	Ткань образует вокруг имплантата тонкую неприлипающую фиброзную капсулу
3	Биоактивная	Ткань биологически связана с имплантатом на границе раздела
4	Растворение имплантата	Ткань замещает имплантат

Рис. 2. Границы между полимерными имплантатами и костью кролика:

1 – кость, 2 – имплантат, 3 – фиброзная капсула (пояснения – в тексте)

Воспалительная реакция ткани обусловливает накопление на поверхности раздела ткань – имплантат макрофагов, преимущественно белых клеток крови – лейкоцитов. Если имплантация не осложнена инфекциями, то эта стадия воспалительного процесса заканчивается в среднем через трое суток. Через 4–5 суток после операции вокруг имплантата преобладают макрофаги, однако, имеются лимфоциты (один из типов лейкоцитов), плазматические клетки и фибробласты (основная клеточная форма соединительной ткани животных и человека). При неагрессивной реакции ткани популяция макрофагов резко уменьшается через 1–2 недели, и фибробласты образуют коллагеноподобную капсулу вокруг имплантата. Ее толщина изменяется во времени (рис.3).

Рис.3. Зависимость толщины капсулы от времени нахождения в организме крысы имплантатов, выполненных из полимерных материалов: 1 – полидиметилсилоксан, 2 – полистирол с покрытием из полиметилсилоксана

Тип 3. Через границу раздела между имплантатом и тканью образуется связь. Такая структура, называемая «биоактивной» границей раздела, предотвращает массоперенос между тканью и имплантатом. На границе восстанавливается структура исходной ткани. Поскольку система имплантат–ткань находится в состоянии динамического равновесия, этот тип реакции зависит от скорости электрохимических и биологических процессов, протекающих в ней.

Тип 4. Скорость изменения биоактивной границы достаточно быстрая, материал имплантата растворяется (резорбирует) и замещается тканью. Иными словами, резорбируемый материал химически деградирует под действием крови, лимфы, тканевых жидкостей или легко переваривается макрофагами. Продукты деградации нетоксичны и усваиваются клетками.

Далее мы будем использовать термины и определения медицинского материаловедения, рекомендованные V и VI международными конгрессами по биоматериалам (1998 и 2000 годы) и регламентированные стандартами ISO/TR 9966 и ГОСТ Р 511480-98.

Биоматериал – нежизнеспособный материал, предназначенный для контакта с живой тканью с целью выполнения функций медицинского назначения. Биоматериал должен быть биосовместимым и может быть биодеградируемым.

Биосовместимость – способность имплантата вызывать адекватную реакцию организма – хозяина в конкретных условиях их взаимодействия. Это – не свойство материала, из которого сделан имплантат, а характеристика системы имплантат–организм, соответствующая определенным условиям их контактирования. Биосовместимость не означает, что имплантант абсолютно не токсичен и не имеет других отрицательных свойств. Это – свойство имплантированного материала вызывать такую реакцию организма, которая позволяет решить поставленную задачу. Биосовместимые материалы взаимодействуют с организмом согласованно и органично, не вызывая заболеваний.

Как было отмечено, поверхностный слой имплантата быстро изменяется, вследствие осаждения на нем белковых молекул. Молекулярная масса последних увеличивается по мере роста осажденного слоя (эффект Vroman). Биосовместимость имплантата является мерой того, насколько осажденный слой белка приемлем организмом. Тесты на биосовместимость является основой для оценки возможности применения материалов в эндопротезах. В Ноттингемском университете (Англия) с использованием множества клеточных культур и типов материалов разработаны ставшие стандартами методы количественной оценки реакции клеток на имплантаты, биохимические и микроскопические методы определения их биосовместимости.

Отсутствие обобщенной теории, позволяющей понять механизм реакций живого организма на имплантат, до сих пор является предметом споров и беспокойства специалистов, изучающих проблему биосовместимости. О том, что эта проблема далека от своего решения, свидетельствует следующий пример. В мягкие ткани имплантированы три образца из одного и того же нетоксичного полимера, отличающиеся пористостью поверхностного слоя. Ткань вместе с кровеносными сосудами врастает в образец с округлыми порами диаметром 10–20 мкм, в то время как непористый образец и образец с продолговатыми (10х200 мкм) порами вызывают классическую реакцию ткани на инородное тело и инкапсулируются. Все три имплантата после заживления раны будут названы биосовместимыми, хотя степень их биосовместимости различна. Несмотря на то, что механизм реакций ткани на шероховатость поверхности имплантата не имеет исчерпывающего объяснения, технологию микротекстурирования имплантатов используют, чтобы стимулировать подвижность клеток и таким образом регулировать их функции. Клетки костной ткани мигрируют вдоль канавок на поверхности имплантата, имеющих соответствующие (порядка мкм) размеры. Это свидетельствует, что образование костной ткани может быть функцией микротопографии поверхности имплантата.