Биодеградируемые и биоактивные материалы для травматологии и ортопедии.

Быстрое и эффективное восстановление повреждений костной ткани – важнейшая задача современной ортопедии.

Поэтому внимание специалистов Санкт-Петербургского филиала ФГУП «ЭПМ» ФМБА России-СКТБ Биофизприбор, привлекли конструкции с кальций-фосфатными (Ca/P) покрытиями, способными активно влиять на интенсивность остеогенеза, благодаря своим высоким биосовместимым характеристикам с костной тканью, а так же способности к остеоинтеграции. На рисунке 1 представлены имплантаты для накостного остеосинтеза с Ca/P и биоинертным покрытиями.

Рисунок 1. Пластины для накостного остеосинтеза с разными видами покрытий.

Ca/P покрытие, разработанное нашим предприятием для биоактивного остеосинтеза имеет хорошо развитую многоуровневую поверхность и позволяет воздействовать на процессы костеобразования, нормализовать минеральный обмен и состояние окружающих тканей. Биоактивное покрытие на титановых имплантатах формируется из Ca/P глобул диаметром от 80 нм до 150 мкм и состоит из сферолитоподобных кристаллов, образующих макрорельеф поверхности с размером пор в диапазоне от 5 до 100 мкм (рисунок 2).

Рисунок 2. Ca/P покрытие на титановых имплантатах. Сканирующая электронная микроскопия.

Сканирующая электронная микроскопия демонстрирует, что из микроглобул образуются сферолиты, формирующие мезорельеф поверхности кальций-фосфатов, влияющие на адгезию и дифференцировку стволовых клеток (рисунок 3).

Рисунок 3. АСМ фотографии Ca/P покрытия.

Системное регулирующее влияние на сращение переломов трубчатых костей биоактивными пластинами подтверждается клинической картиной, данными биохимического исследования и ультразвуковым мониторингом зоны перелома и показывает новые возможности для оптимизации регенерации костной ткани. Имплантаты с Ca/P покрытиями, стимулируют костную репарацию и тормозят резорбцию кости и, главное, создают депо кальция в организме для активной репарации костной ткани (рисунок 4).

Рисунок 4. Средние скорости изменений в содержании кальция в крови (мМ/л *мес.) в динамике накостного остеосинтеза в биоактивном и биоинертном вариантах.

В лабораториях предприятия был получен биологический гидроксиапатит (ГА), благодаря которому наряду с прочной фиксацией имплантата и кости минимизируются отрицательные реакции организма на чужеродное тело. Большой интерес к ГА вызван его сходством по физико-химическим свойствам с минеральной составляющей костной ткани человека и высокой биологической активностью. Поскольку взаимодействие ГА с организмом зависит от его химического состава, размера и морфологии кристаллов, состав и чистота получаемого ГА были максимально приближены к минеральному составу кости, что позволило повысить его биоактивность и остеогенность (рисунок 5).

Рисунок 5. Микрофотографии гидроксиапатита. Электронная микроскопия.

Один из основных подходов наших исследователей - создание биоискусственных аналогов костной ткани. Материал для замещения костной ткани, разработанный на нашем предприятии имеет уникальный состав, одним из компонентов которого является модифицированный в виде нанокристаллов ГА, находящихся в тесной ассоциации с органической склеивающей жидкой составляющей. В результате гистологического исследования материала, было обнаружено, что в новообразованной ткани, окружающей и прорастающей в материал, выявлены сосуды (показаны желтыми стрелками) разного диаметра и нервные волокна (показаны зелеными стрелками). По всей толщине материала в результате его разрушения (Б, В, Г, Е) образуются многочисленные отверстия разного диаметра. Кровеносные сосуды полнокровны, что свидетельствует о соединенности сосудов с кровеносным руслом. Большой интерес представляют выявленные нервные волокна в прорастающей материал ткани (рисунок 6).

Рисунок 6. Ангиогенез и нейрогенез. Биодеградация имплантата. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия.

Применение  материала для заполнения дефектов костной ткани, позволяет решать различные проблемы в ортопедии и травматологии (рисунок 7). При имплантации такой материал не отторгается иммунной системой, а замещаются окружающей тканью при участии иммунокомпетентных клеток.Материал, разработанный нами, имеет высокую пластичность и результирующее идеальное заполнение костного дефекта, не оставляя зазора между существующей костью. Кроме того, затвердевшийматериал  постепенно замещается костной тканью, во время биодеградации, доставляя ионы кальция и фосфатов, стимулируя активность клеток.

Рисунок 7. Применение костного цемента в клинической практике.

Таким образом, внедрение костных материалов разработки Санкт-Петербургского филиала ФГУП «ЭПМ» ФМБА России-СКТБ Биофизприбор позволит исключить необходимость пересадки костной ткани, уменьшить общую длительность хирургических вмешательств, снизить вероятность повторных операций, а также исключить возможность передачи латентной инфекции от донора при традиционном использовании аллогенной кости.