Имплантационные материалы на основе гидроксиапатита в костнопластической хирургии

Х. А. Мусалатов, В. Г. Германов, Московская медицинская академия им. И. М. Сеченова

Анализ научной медицинской литературы, практика ведущих медицинских научных центров свидетельствуют о появлении и начавшемся применении в современной медицине новых имплантационных материалов на основе гидроксиапатитов (ГАП-содержащих материалов). Физико-химические свойства и структура материалов позволяют их рассматривать в качестве матрицы для образования молодой костной ткани, что дает возможность их использовать в качестве пластического материала для замещения костных дефектов наряду с традиционной костной пластикой, а некоторые имплантаты и для стимуляции остеогенеза при сниженных репаративных возможностях костной ткани. В этом смысле новые материалы, дополняя, а в ряде случаев и заменяя костную пластику, могут обозначить новое направление в костнопластической хирургии и имплантологии. Применение этих материалов в современных условиях становится особенно актуальным в связи с появлением заболеваний, передающихся через различные среды организма, в частности, через кровь. Однако, технология применения имплантатов на основе ГАП-материалов при различных патологических состояниях, особенности остеогенеза на их основе при различных патологических ситуациях до конца не изучены.

В настоящее время на рынке ГАП-имплантатов существует большое количество изделий и препаратов различных зарубежных и отечественных фирм. Мы попытаемся сгруппировать доступные ГАП-материалы согласно их физико-химическим характеристикам, способности взаимодействия с костной тканью и исторической последовательности появления.

Предшественником изделий из ГАП-материалов является широко известная биокерамика (корундовая, циркониевая). Керамика не обладает сходством в строении с костной тканью. Этот материал считается инертным в отношении возможности взаимодействия с костью, так как при прорастании костной ткани не происходит химического взаимодействия между имплантатом и костью. Кость прорастает только в поры поверхностного слоя материала. Из-за разных прочностных характеристик керамики и костного вещества может наблюдаться износ и разрушение последнего. Поэтому имплантацию керамических изделий, например, протезов тел позвонков, часто дополняют пересадкой ауто - или аллокости.

Следующий шаг – создание биологически активных материалов, способных взаимодействовать с костным ложем путем биохимических связей с костью или коллагеновыми волокнами – то, что называется остеокондуктивностью. Представителями этой группы являются биоактивные стекла. Последние оказались перспективными для покрытия металлических частей имплантатов (эндопротезов). Большой механической прочностью биостекла не обладают. Впрочем, совершенствование этих материалов продолжается и в настоящее время. На I Всероссийской конференции по применению биокомпозиционных материалов в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии, состоявшейся в ноябре 1997 года, впервые было доложено об использовании в качестве протеза тела шейного позвонка материала БАК-1000. Это отечественный материал, разработанный в Российском химико-технологическом университете. Его полное название – биоактивный апатитовый композит. Состоит он из стекловидной химически нейтральной Na-Al-Si-матрицы, выполняющей роль каркаса. На поверхности и внутри перегородок последнего равномерно распределен гидроксиапатит. Ячеисто-канальная поровая структура материала с размером пор от 100 до 500 мкм и присутствие ГАП делает его подобным минеральной части губчатой кости. БАК-1000 не обладает достаточной прочностью, позволяющей отказаться от внешней иммобилизации. Таким образом, биостекла можно считать промежуточным материалом между инертными в биологическом отношении материалами и гидроксиапатитом (ГА).

Имплантационные материалы на основе гидроксиапатитов, применяемые в медицине, составляют довольно обширную группу и не все из них используются в травматологии и ортопедии. С физико-химической точки зрения это керамика или порошки на основе кальция и фосфора. В зависимости от тонкостей технологического процесса изготовления материалы различных фирм отличаются физико-химическими характеристиками и особенностями взаимодействия с костной тканью. В целом, как и любая керамика, ГАП-керамика не обладает большой механической прочностью. В зависимости от технологических особенностей и строения, некоторые виды ГАП-керамики способны при взаимодействии с биологическими тканями к постепенной резорбции и замещению костной тканью. В основном, именно они, используются в травматологии-ортопедии для костной пластики. Представляет эту группу керамики фирма “Интермедапатит”. Не резорбируемые виды гидроксиапатитовой керамики используются, в основном, в стоматологии.

К материалам нового поколения на основе искусственного гидроксиапатита относятся биокомпозиционные материалы, в строении подобные костной ткани. В структуру таких материалов, кроме гидроксиапатита, входит коллаген. Именно наличие коллагена, как матрицы для кристаллов гидроксиапатита, приближает эти материалы по строению к структуре биологической костной ткани. Эту группу материалов представляет КоллапАн (фирма “Интермедапатит”). Особенностью препарата является наличие в его составе антибиотика. Чтобы понять качественный рывок технологии производства композитных ГАП-материалов, необходимо вспомнить строение нормальной костной ткани.

Минеральное вещество кости состоит в основном из солей кальция (фосфатов и карбонатов). Последние структурно входят в состав, или образуют кристаллы гидроксиапатита:

Ca[Ca3(PO4)2]3OH2=Ca10(PO4)6(OH)2.
Фосфатные ионы могут частично замещаться карбонатом. Этот биологический гидроксиапатит отличается от геологического меньшим размером кристаллов (длинная ось 100-400А), менее совершенным атомным порядком, а также стехиометрией. Это дает значительно большую поверхность кристалла на единицу площади, высокую реактивность и большую растворимость. Следовательно, при взаимодействии с биологическими жидкостями кость легко производит обмен с ними различными ионами. Минерализация осуществляется вдоль фибрилл коллагена. Фибриллы, переплетаясь спирально между собой, образуют волокна коллагена, которые, в свою очередь, образуют четвертичные коллагеновые структуры. Между волокнами находится межуточное вещество – посредник обменных процессов в костной ткани. Безусловно, такое уникальное строение костной ткани в полной мере повторить в композиционных материалах пока невозможно. Познакомиться со строением биокомпозитных ГАП-материалов можно на примере препарата КоллапАн.

По данным фирмы-производителя, порошок гидроксиапатита (химическая формула Ca5(PO4)3OH) для материала КоллапАн получают по собственной запатентованной технологии криохимическим методом. Гидроксильные и фосфатные ионы могут частично замещаться карбонатом. Это по составу приближает данный ГАП к биологическому. Параметры порошка гидроксиапатита, производимого фирмой “Интермедапатит” (по данным фирмы-производителя):

удельная поверхность – 95 кв м/г;

субмикронный размер кристаллов – 0,02 мкм (образуют агломераты ~ 20 мкм);

молярное отношение Ca/P – 1,67 (в костях человека 1,37–1,77).

К сожалению, точный химический состав и соотношение его компонентов в ГАП-порошках других фирм в доступной литературе не указывается. Это не позволяет нам сравнивать продукцию различных фирм. Ультрадисперсный порошок ГАП фирмы “Интермедапатит” равномерно распределен в матрице из особо чистого коллагена второго типа и антибиотика. От большинства искусственных полимеров коллаген отличается полным отсутствием токсичности, канцерогенности, способностью полностью утилизироваться в организме, стимулировать репаративные процессы в тканях и образовывать прочные комплексы с лекарственными веществами. Антибиотик и микрокристаллы гидроксиапатита постепенно высвобождаются из коллагеновой матрицы при ее лизисе и разлагаются путем химических превращений до ионов Ca и P, входя затем в структуру костного регенерата, что было доказано методом изотопной метки. На частицах растворяющегося искусственного гидроксиапатита путем эпитаксиального роста осаждается биологический ГАП, составляющий минеральную основу будущей костной ткани. Морфологические и клинические исследования показали, что частицы ГАП при использовании материала КоллапАн в области дефекта костной ткани определялись внутри костных трабекул и практически их не было в межтрабекулярных пространствах. Экспериментальная часть работы выполнялась на крысах и кроликах. Патогистологическое исследование клинического материала показало, что на поверхности гранул КоллапАна формируется остеоидный матрикс, постепенно созревающий и превращающийся в зрелую пластинчатую кость, в которой определяются остатки резорбируемого гидроксиапатита. Таким образом, замещается материал новой костной тканью без образования фиброзной прослойки. Формирование новой кости начинается непосредственно на КоллапАне.

Антибиотик, входящий в состав материала постепенно выделяется в кость и сохраняет высокую антимикробную активность в течение 20 суток, после чего активность его снижается вдвое. Из антибиотиков в состав КоллапАна, обычно, входят линкомицин или гентамицин. Однако, по желанию заказчика, фирма-производитель в состав препарата может вводить любой антибиотик. Таким образом, как и все ГАП-содержащие препараты, КоллапАн обладает остеокондуктивностью, а присутствие в его составе коллагена и антибиотиков придает ему противовоспалительные, антимикробные и остеоиндуктивные свойства. Таким образом, физико-химические свойства и особенности взаимодействия ГАП-материалов с костной тканью и определяют область применения их в медицине.

В настоящее время имплантаты на основе гидроксиапатитов используются в различных областях медицины: в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии, ортопедии, костной онкологии, гнойной хирургии, хирургии позвоночника, нейрохирургии, военно-полевой хирургии.

Так, использование КоллапАна способствует более благоприятному течению раневого процесса, формированию полноценной костной мозоли, предупреждению гнойных осложнений. По данным Центрального института травматологии и ортопедии, при лечении огнестрельных переломов, осложненных инфекцией, применение КоллапАна сокращает сроки пребывания больных в клинике на 2–3 недели.

В гнойной травматологии КоллапАн используется для лечения остеомиелита. При этом препаратом заполняют костный дефект после обширных некрсеквестрэктомий. Положительный результат достигается после первичной операции по санации очага более, чем в 90 % случаев.

В ортопедической онкологии у больных со злокачественными и доброкачественными опухолями по данным литературы после выполнения резекции костной ткани для пластики дефектов использовался КоллапАн в сочетании с ГАП-керамикой. Рентгенологическая динамика поведения имплантатов в костной ране показала, что КоллапАн значительно быстрее замещается новой костной тканью по сравнению с ГАП-керамикой.

Широкое внедрение получили ГАП-содержащие материалы в стоматологии. Их используют сразу после тяжелых травматических экстракций зубов, при развившихся альвеолитах, при удалении кист челюстей различной этиологии путем их имплантации в дефект кости после цистэктомии. В том числе был использован и КоллапАн. Исследования показали, что он эффективен на фоне вялотекущего воспалительного процесса за счет пролонгированного действия выделяющегося антибиотика, а также способствует ускорению репарации в костной полости при рыхлой тампонаде ее этим материалом.

В Московском медико-стоматологическом университете исследована возможность проведения дентальной имплантации у пациентов с гипотрофией альвеолярного отростка. Больным выполнялась дентальная имплантация с синус-лифтингом и костной пластикой. Для восполнения и восстановления костной ткани в созданном объеме использовали костные аутотрансплантаты и КоллапАн. Через три месяца рентгенологически наблюдались признаки репаративной регенерации вокруг имплантатов. Авторы делают вывод, что “при недостатке костной ткани в области нижней челюсти дентальная имплантация может быть выполнена непосредственно при синус-лифтинге и аутокостной пластике в комбинации с материалом КоллапАн”. Другими словами, недостаток костного вещества можно восполнять, используя для этого аутокость и КоллапАн.

Изучение возможностей использования полезных свойств КоллапАна в травматологии-ортопедии проводится в ряде ведущих клинических центров страны. Одни из первых работ, посвященные оперативной вертебрологии, были выполнены на кафедре травматологии, ортопедии и хирургии катастроф Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова. Известно, что лечение некоторых повреждений и заболеваний позвоночника сопряжено с необходимостью расширенных резекций тел позвонков, что значительно снижает репаративные возможности костного ложа при замещении созданных дефектов костными трансплантатами или имплантатами и ухудшает их приживаемость. Разработан и внедрен в практику способ межтелового спондилодеза с использованием КоллапАна. Препарат создает условия оптимального течения репаративных процессов в костной ране; ускоряет формирование костного блока оперированных сегментов. Предложенная методика позволяет в ряде случаев обойтись без костной пластики, что существенно снижает травматичность и длительность оперативного вмешательства. Исследования возможности стимуляции остеогенеза продолжаются. Предложен и запотентован ряд методик оперативного лечения сложной ортопедо-травматологической патологии: медиальных переломов шейки бедра, несросшихся переломов и ложных суставов длинных костей. Рассматриваются вопросы использования имплантатов на основе гидроксиапатита для пластики дефектов черепа. Интересное продолжение работы кафедры – использование ГАП-материалов в комплексе с малоинвазивными видами оперативных методов лечения заболеваний и повреждений опорно-двигательной системы.

Таким образом, несмотря на ряд до конца не изученных вопросов, гидроксиапатит содержащие материалы находят все большее применение в медицине, особенно в травматологии-ортопедии. Они являются средством выбора при лечении целого круга сложной ортопедо-травматологической патологии.