Лекишвили М.В., Панасюк А.Ф.
Новые биопластические материалы в реконструктивной хирургии
Центральный институт травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, 2ООО "Конектбиофарм", Москва
Поиск и разработка новых биопластических материалов, эффективных для проведения реконструктивных хирургических операций в различных областях медицины, остаются актуальными до настоящего времени. Эта проблема имеет общемировой характер, что отражено во многих публикациях, дискуссиях и оригинальных научных разработках новых материалов, способных активно влиять на процессы регенерации.
Мировой опыт хирургии постоянно доказывает, что биологические материалы являются одним из решающих факторов достижения положительного результата восстановительного лечения. В тоже время, известно, что биоимплантаты реально являются альтернативным вариантом в использовании аутотканей при замещении тканевых дефектов. По мере накопления опыта, связанного с биоимплантологией, процесс создания новых материалов становится все более трудоемким и высокотехнологичным, который сопровождается обязательным соблюдением клинической безопасности и наличием доказуемой эффективности "конечного продукта".
В современной имплантологии можно выделить несколько уровней технологических разработок в изготовлении биопластических материалов, в данном случае костных алло- и ксеноимплантатов.
Так I уровень не предусматривает глубокой переработки донорских тканей. На этом уровне ткани или забираются в асептических условиях и консервируются низкими температурами, либо очищаются, обезжириваются и обрабатываются химическими реагентами, достигая тем самым одновременной консервации и стерилизации [1].
На II уровне ткани подвергают более серьезной обработке. Примером может служить процесс изготовления деминерализованных костных аллоимплантатов, где в костной ткани с помощью декальцинации растворами кислот меняют соотношение минерального и органического компонентов. В таких случаях материал приобретает наряду с остеокондуктивными и дополнительные остеоиндуктивные свойства. При этом деминерализация кости может быть поверхностной, частичной или полной. В зависимости от степени декальцинации материал имеет разные механические и пластические характеристики, что дает хирургу возможность комбинировать материалом в зависимости от конкретной клинической ситуации [2].
III уровень предполагает создание биокомпозиционных материалов, содержащих как основные компоненты костной ткани, так и биоактивные субстанции. К последним относятся факторы роста, морфогенетические белки и другие компоненты костного матрикса. Биоактивным субстанциям отводят роль активаторов и регуляторов физиологической регенерации тканей. Кроме того, на стадии имплантации в состав таких материалов могут быть включены и трансплантируемые различные клетки-предшественники. В настоящее время создание биокомпозиционных материалов в России приобрело приоритетный характер [3].
В последнее время активно разрабатывается и IV технологический уровень, характеризующийся созданием синтетических биокомпозиционных материалов на базе современных технологий. К последним относятся стериолитографическое копирование тканей [4], технологии создания 3-х мерных имплантатов [5,6], жидкостно-распределительное моделирование [7] и фазовоизменяющее создание имплантатов [8]. Соединение этих методов позволяет с высокой точностью копировать тканевые объекты и создавать материалы с четко определенными размерами, геометрией и распределением пор, а так же полностью воспроизводить архитектонику органного участка и его внутренних каналов в создаваемом имплантате. К сожалению, в ближайшее время внедрить в практику российских тканевых банков подобные технологии не представляется возможным в силу многих причин.
При наличии определенных технических возможностей и собственного опыта, в тканевом банке ЦИТО за последние десять лет были разработаны и внедрены в медицинскую практику ряд новых биопластических материалов второго и третьего технологических уровней.
Прежде всего, это – "Перфоост", представляющий собой лиофилизированные деминерализованные костные аллоимплантаты (ДКИ), выполненные в виде пластин, стружки, чипсов и т.д. Разная степень деминерализации и геометрия данных биопластических материалов позволили использовать его во многих областях реконструктивной хирургии, как для заполнения любых костных дефектов, так и для ускорения процессов остеогенеза [9,10]. Для практической медицины банком ЦИТО были также предложены ДКИ, изготовленные из костей свода черепа. Благодаря их большой площади и высокой степени деминерализации этот материал в настоящее время широко используется в ортопедии при проведении ревизионного эндопротезирования для замещения значительных дефектов дна и стенок вертлужной впадины тазобедренного сустава. Более того, они нашли своë применение в нейрохирургии, офтальмологии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии и т.д. [11].
Тканевым банком ЦИТО на рынок медицинских услуг предложены также аллоимплантаты из губчатой костной ткани, которые изготавливаются в виде блоков различного размера. Они тщательно очищены от миелоидного компонента и способны играть роль не только заместительного материала, но и служить носителем как для биологически активных субстанций, так и для трансплантируемых клеток. Данные блоки широко используются в реконструктивных операциях в травматологии и ортопедии, где существует необходимость восполнения значительного костного дефекта [12].
Для стерилизации всех материалов, производимых тканевым банком ЦИТО, используется радиационный метод потоком быстрых электронов с дозой поглощения 20-25 кГр. Необходимо отметить, что условия применения данного метода стерилизации для костных имплантатов были разработаны впервые в рамках выполнения научной программы тканевого банка ЦИТО.
В результате совместной деятельности с другими научными учреждениями нами был разработаны биокомпозиционные материалы нового поколения "Алломатрикс-имплант" и "Остеоматрикс". Основное различие между этими материалами состоит в том, что "Алломатрикс-имплант" содержит костный коллаген и костные сульфатированные гликозаминогликаны (сГАГ), а "Остеоматрикс", имея в своем составе те же два основных компонента костной ткани, содержит ещё и гидроксиапатит (ГА) в природной форме. Они выпускаются тканевым банком ЦИТО в форме блоков и гранул. Основанием для создания этих материалов послужил ряд теоретических предпосылок. Так, известно, что в процессах остеогенеза активное участие принимают основные компоненты межклеточного матрикса такие, как протеогликаны, гликопротеины и коллаген, а также костные морфогенетические белки и факторы роста. Протеогликаны представляют собой белки, в состав которых входят сложные полисахариды, главным образом сГАГ. В кости сГАГ представлены хондроитин-, дерматан- и кератансульфатами, именно они и определяют основные функциональные характеристики костных протеогликанов.
Доказано, что сГАГ способны модулировать обмен клеток соединительной ткани и влиять на их дифференцировку [13,14].
В научной литературе имеются единичные сообщения о влиянии сГАГ на репарацию костной ткани [15], однако, их роль в процессах её восстановления изучена пока крайне недостаточно. Известно и то, что прочность кости связана с наличием в её составе гидроксиапатита (ГА). Однако при изготовлении многих пластических материалов из костной ткани ГА обычно удаляют. Это делается для того, чтобы после имплантации органический матрикс кости был максимально доступен для процессов ремоделирования и формирования костной ткани реципиента. С другой стороны, если готовят материалы из природного ГА то они, как правило, достаточно хрупки и их прочностные характеристики значительно уступают нативной кости. Следовательно, прочность костной ткани зависит в первую очередь от структурного взаимодействия коллагена и ГА [16]. В материале "Остеоматрикс" практически полностью сохранена коллагеновая и гидроксиапатитовая структура нативной кости, но при этом материалы полностью лишены антигенности.
Большим достоинством материалов "Алломатрикс-имплант" и "Остеоматрикс" является и то, что они содержат костные сГАГ, аффинно-связанные и с коллагеном, и с ГА, что существенно отличает их от имеющихся в мире аналогов и значительно усиливает их остеогенные потенции. Именно эти свойства данных материалов позволяют эффективно использовать их в случаях несовершенного остеогенеза (ложные суставы разной этиологии, врожденные заболевания костной системы и т.д.) и других патологиях костной ткани (стоматология, хирургия кисти и т.д.) [17-20].
Таким образом, подводя итоги сказанному выше, можно с уверенностью утверждать, что выпускаемые тканевым банком ЦИТО биопластические материалы второго и третьего технологического уровня, оказывают выраженное влияние на регенерацию костной ткани, не имеют побочного действия и обладают остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами. Именно поэтому при их клиническом применении получено более 93% положительных результатов лечения у больных с различными патологиями опорно-двигательного аппарата.
Список литературы:
1. Salai M., Brosh T., Keller N. et al. The effects of prolonged cryopreservation on the biomechanical properties of bone allografts: A microbiological, histological and mechanical study. Cell and Tissue Banking. 2000; 1: 69-73.
2. Лекишвили М.В. Технологии изготовления костного пластического материала для применения в восстановительной хирургии: Дисс. ... докт. мед. наук.– М., 2005.
3. Щепкина Е.А., Кругляков П.В., Соломин Л.Н. и др. Трансплантация аутологичных мезенхимальных стволовых клеток на деминерализованном костном матриксе при пластике ложных суставов и костных дефектов. Мат. III Всероссийского симп. с межд. уч.: "Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии".– М. 2007; 113.
4. Hull C. Method for production of three-dimensional objects by stereolithography. 1990; US Patent: 4929402.
5. Bredt J.F., Sach E., Brancazio D. et al. Three dimensional printing sestem.1998; US Patent: 5807437.
6. Landers R., Pfister A., Hubner U. et al. Fabrication of soft tissue engineering scaffords by means of rapid prototyping techniques. J. Mater. Sci. 2002; 37: 3107-3116.
7. Taboas J.M., Maddox R.D., Krebsbach P.H., Hollister S.J. Indirect solid free form fabrication of local and global porous, biomimetic and composite 3D polimer-ceramic scaffords. Biomaterials 2003; 24: 181-194.
8. Sachlos E., Czernuszka J.T. Making tissue engineering scaffords work. Review on the application of solid freeform fabrication technology to the production of tissue engineering scaffords. Europ. Cells Materials.2003; 5: 29-40.
9. Лекишвили М.В., Родионова С.С., Ильина В.К. и др. Основные свойства деминерализованных аллоимплантатов, изготавливаемых в тканевом банке ЦИТО. Вестник травматологии и ортопедии 2007; 3: 80-86.
10. Снетков А.И., Лекишвили М.В., Касымов И.А. и др. Использования пластического материала "Перфоост" в клинике детской костной патологии. Вестник травматологии и ортопедии 2003; 4: 74-79.
11. Волошин В.П., Мартыненко Д.В., Лекишвили М.В. Способ лечения вертлужной впадины. 2004; Патент РФ: 2289339.
12. Лекишвили М.В., Михайлов А.Ю., Васильев М.Г. Способ изготовления имплантата из губчатой костной ткани. 2000; Патент РФ: 2172104.
13. Панасюк А.Ф., Ларионов Е.В. Хондроитинсульфаты и их роль в обмене хондроцитов и межклеточного матрикса хрящевой ткани. Науч.-практ. ревматология. 2000; 2: 46-55.
14. Серов В.В., Шехтер А.Б. Соединительная ткань. М., Медицина; 1981: 103-122.
15. Burger M., Sherman B.S., Sobel A.E. Observations of the influence of chondroitin sulfate on the rate of bone repair. J. Bone Jt Surg. 1962; 44B (3): 675-687.
16. Панасюк А.Ф., Лекишвили М.В., Ларионов Е.В. и др. Биоматериалы для восстановления костных дефектов на основе костных аллоколлагена, гидроксиапатита и сульфатированных гликозаминогликанов. Мат. II Всероссийского симп. с межд. уч.: "Клинические и фундаментальные аспекты тканевой терапии". Самара. 2004; 43-44.
17. Васильев М.Г., Снетков А.И., Цуканов В.Е. и др. Теоретическое обоснование использования биокомпозиционного материала "Остеоматрикс" в лечении детей и подростков с костной патологией. Детская хирургия. 2006; 2: 44-49.
18. Лекишвили М.В., Балберкин А.В., Васильев М.Г. и др. Первый опыт применения в клинике костной патологии биокомпозиционного материала "Остеоматрикс". Вестник травматологии и ортопедии 2002; 4: 80-84.
19. Аснина С.А., Агапов В.С., Панасюк А.Ф. и др. Хирургическое лечение радикулярных кист челюстных костей с использованием биокомпозиционного материала "Остеоматрикс". Институт стоматологии. 2004; 2 (23): 43-45.
20. Иванов С.Ю., Кузнецов Р.К., Чайлахян Р.К. и др. Перспективы применения в стоматологии материалов "Биоматрикс" и "Алломатрикс-имплант" в сочетании с остеогенными клетками предшественниками костного мозга. Клиническая имплантология и стоматология. 2000; 3-4: 37-40.
Реферат статьи.
В работе представлены данные о состоянии разработок по изготовлению и применению в клинической практике биопластических материалов тканевого банка ЦИТО. Приведены результаты использования материалов нового поколения серий – "Перфоост", "Алломатрикс-имплант" и "Остеоматрикс" в лечении различных костных патологий. Показаны высокая биосовместимость и эффективность данных материалов при лечении различных патологий костной системы. Продемонстрированы их остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства. Проведен анализ технологического развития в современной биоимплантологии и ее состояния в тканевом банке ЦИТО.
In this work are presented experiments’ results of creating and using CITO tissue bank‘s bioplastic materials in clinical practice. Here are demonstrated results of using new generation materials, such as: "Perfoost", "Alomatrix-implant" and "Osteomatrix" in treatment of different bone pathologies. It is shown height biocompatibility and effectivity in treatment of bone system’s different pathologies, also are demonstrated their osteocondactive and osteoindactive features. It is analyzed technological evolution in modern bioimplantology and it’s condition in CITO’s tissue bank.
Лекишвили Михаил Васильевич – д.м.н., зав. лаб. "тканевой банк" ФГУ ЦИТО им. Н.Н. Приорова. 125299, Москва, ул. Приорова, 10.
Панасюк Андрей Федорович – д.б.н., профессор, ООО "Конектбиофарм", Москва.
Подробнее: http://www.bioimplantat.ru
