science-review.ru
Под дефектом кости следует понимать утрату костного вещества, возникшую как вследствие прямого воздействия травмирующего агента (первичные дефекты), так и в результате оперативного вмешательства или патологического процесса (вторичные дефекты).
Дефекты кости могут нарушать нормальную биомеханику и структурную стабильность кости как органа. Во многих случаях коррекция костных дефектов требует обширного хирургического вмешательства с использованием методов костной пластики и других процедур [1; 2].
Типичным видом нарушения функции тканей являются переломы костей и крупные костные дефекты вследствие различных травм или естественного старения. Хирургическое лечение часто требует имплантации временного или постоянного протеза, что до сих пор является проблемой для хирургов-ортопедов, особенно при больших дефектах кости [3].
Ремоделирование костной ткани представляет собой комплексный процесс, который регулируется множеством факторов. Воздействие данных факторов направлено на достижение гомеостаза между механизмами остеокластической резорбции и остеобластического формирования, что в свою очередь поддерживает структурную и функциональную целостность кости [4].
В настоящее время широкое применение в хирургии и ортопедии получили различные ауто- и аллотрансплантаты, синтетические биоматериалы и клеточные технологии по восстановлению костной ткани.
Цель исследования: изучить основные характеристики костных материалов для замещения дефектов и их эффективность в современной медицине.
Материалы и методы исследования
Проведен анализ отечественных и зарубежных статей, патентов с помощью электронных баз данных PubMed, eLibrary, Сyberleninka за 2006-2023 гг.
Результаты исследования и их обсуждение
АУТОТРАНСПЛАНТАТ
Известно, что аутокость является общепризнанным идеальным материалом для замещения дефектов костной ткани [5-7]. Однако широкое использование современных аутотрансплантатов снизило использование в практике данного материала. Обычным показанием для использования аутокости являются патологические переломы [3].
В отличие от искусственных имплантатов, костные аутотрансплантаты содержат живые остеогенные клетки, что стимулирует рост собственной костной ткани в месте пересадки. Однако их применение имеет ряд недостатков. Во-первых, аутотрансплантат можно взять только непосредственно перед операцией, что удлиняет время оперативного вмешательства. Во-вторых, объем аутоткани ограничен, а при заборе донор подвергается дополнительному травмированию [4; 8; 9].
Нет сомнений в том, что преимуществами аутогенной трансплантации кости являются техническая простота, максимальное сохранение и последующее восстановление метаэпифиза, что важно как при первичном, так и при повторном эндопротезировании коленного сустава [10]. Достижения в области микрохирургии позволили имплантировать костные аутотрансплантаты на сосудистой ножке таких костей, как малоберцовая, лучевая, подвздошная, а также ребра, в ассоциации с мягкотканными образованиями [11].
В своем составе такие трансплантаты содержат жизнеспособные остеобласты и аутогенный костный мозг, которые создают опору для фиксаторов и в последующем образуют структуру, способную выдерживать высокие механические нагрузки и замещаться костной тканью [12].
Часто аутотрансплантаты используются при эндопротезировании коленного сустава, который обладает сложной биомеханикой, что делает его уязвимым для развития дегенеративных заболеваний. В результате часто возникает необходимость в тотальном эндопротезировании коленного сустава. Одной из проблем при этом является замещение костных дефектов в области имплантации эндопротеза. По статистике, доля таких дефектов составляет 25-31% [13].
КСЕНОТРАНСПЛАНТАТ
Ксенотрансплантаты – это ткани животных, прошедшие специальную обработку, включающую удаление минералов, белков и лиофильную сушку, благодаря чему они становятся совместимыми с человеческими тканями и могут использоваться как альтернатива аутогенным костным трансплантатам. Процесс удаления белков преобразует ксеногенные материалы в природный гидроксиапатит, который имеет трехмерную пористую структуру, схожую по строению и свойствам с костной тканью человека [7; 14].
Ксенотрансплантат эффективен для замещения костной ткани благодаря их остеокондуктивной способности, высокой плотности, обеспечивающей стабильность трансплантата, а также поставке необходимых для формирования кости минералов, поскольку ксенотрансплантат не резорбируется полностью [15].
Сравнительная оценка результатов применения ауто- и ксенотрансплантатов на реконструктивно-восстановительном этапе, у больных с костными новообразованиями и опухолеподобными процессами, продемонстрировала явные преимущества ксеногенных трансплантатов, выражающиеся в меньшем влиянии на состав крови, сокращении объема хирургического вмешательства и более раннем восстановлении утраченных функций [16].
Основным недостатком ксенотрансплантатов является высокий риск перекрестной контаминации, что может привести к иммунному ответу со стороны реципиента [16]. К таким осложнениям можно отнести сверхострое отторжение, опосредованное действием ксенореактивных натуральных антител [17]. Другой немаловажной реакцией является острое гуморальное отторжение, характеризующееся формированием IgM и IgG к эпитопу gal [18]. Эти реакции характеризуются отеками, тромбозами сосудов и кровоизлияниями.
АЛЛОТРАНСПЛАНТАТ
Аллотрансплантаты, вбирающие в себя все необходимые остеоиндуктивные свойства, стали наиболее перспективной заменой аутотрансплантатов при замещении дефектов кости [19].
Использование костных аллоимплантатов становится все более распространенным в силу их доступности. Эти имплантаты могут представлять собой небольшие фрагменты или целые подпорки, которые получают от живых или умерших доноров.
Во время первичных операций по эндопротезированию тазобедренного сустава у живых доноров можно забирать фрагменты собственной головки бедра. Этот костный материал сохраняется и при необходимости ревизионного вмешательства может быть реимплантирован тому же пациенту. Такой подход позволяет минимизировать отторжение за счет использования собственных тканей организма, изъятых на более ранних этапах лечения [13].
От умерших доноров для изготовления аллоимпланта зачастую забирают целые сегменты кости или костно-хрящевые комплексы [11].
Комбинация аллотрансплантата с другими составляющими демонстрирует аналогичную эффективность в сравнении с применением аутокости, включая и долгосрочные результаты. Использование структурного аллотрансплантата является предпочтительным при восстановлении конечностей после удаления обширных участков пораженной ткани в случае злокачественных и инвазивных опухолей кости. Однако при использовании дополнительных методов лечения, таких как химиотерапия и лучевая терапия, риск осложнений, включая несращивание и инфекцию, увеличивается [20-22].
КЕРАМИКА
С точки зрения биохимической совместимости с организмом, для протезирования оптимальны материалы класса «керамик» [23]. Идеальный материал должен быть нетоксичным и не вызывающим отмирание окружающих тканей, но при этом способным к контролируемому растворению с формированием новой костной ткани. Многообещающей для этих целей является кальций-фосфатная керамика [24-26].
Керамические материалы предпочтительнее благодаря высокой термо- и коррозионной стойкости, износоустойчивости и вязкости разрушения [27]. Клиническое применение разных типов биокерамики определяется ее пористостью [28; 29]. Макропористость способствует прорастанию кости за счет миграции клеток и сосудов внутрь материала [30]. Практика показала, что биокерамические материалы не вызывают воспалительной реакции и отторжения, что свидетельствует об их совместимости с организмом. Биорезорбция материала и остеоинтеграция указывают на перспективность его использования для замещения костных дефектов [31].
СИНТЕТИЧЕСКИЕ БИОМАТЕРИАЛЫ
Использование синтетических материалов в травматологии перспективно, так как они дают возможность замещать обширные дефекты костей без повышения травматичности операции. По сравнению с аллотрансплантатами, синтетические материалы также обладают большей биологической безопасностью [32].
Переработка биоматериалов в пористые каркасы для инженерии костной ткани является критическим и ключевым шагом в определении и контроле их физико-химических, механических и биологических свойств. Биоматериалы, такие как полимеры, обычно перерабатываются в пористые каркасы с использованием традиционных методов обработки [33].
Исследователи уделяют особое внимание использованию искусственных материалов, аналогичных минеральным компонентам костной ткани, для пластики костных дефектов. Среди биоактивных керамических материалов особенно выделяют трикальцийфосфат и гидроксиапатит, которые обладают высокой аффинностью к костной ткани и способностью к естественному разложению. Одним из недостатков синтетических костных материалов являются их невысокие остеоиндуктивные свойства [34]. Полным кристаллохимическим аналогом минерального вещества кости является гидроксиапатит, вследствие этого он является абсолютно биосовместимым, а также способен стимулировать пролиферацию клеток кости [35].
Преимуществом синтетических материалов является возможность избежать забора аутотрансплантата и связанных с ним осложнений, но трудность в изготовлении данных имплантов, их хрупкость, а также невозможность имплантации объема более 3% от всей костной массы скелета, ввиду возможности развития дистрофических процессов в окружающих тканях, делают ограниченным использование синтетических трансплантатов в качестве материала пластики костного дефекта [24; 36].
КЛЕТОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Хондротрансплантат
На современном этапе развития медицины актуальным направлением является клеточная трансплантология, позволяющая восполнять дефекты тканей с помощью клеточных имплантатов. В частности, в Новосибирском НИИТО была разработана технология создания трехмерных хондротрансплантатов на основе хондроцитов, выделенных из хрящевой ткани позвоночника поросят. Данные клетки культивировали в специально подобранной питательной среде, в результате чего они сформировали биоинженерную структуру, включающую хрящевые клетки и окружающий внеклеточный матрикс [37; 38].
Эффективность полученного хондротрансплантата была подтверждена в эксперименте по замещению дефекта позвонка у экспериментальных животных. Через полгода после операции на месте дефекта сформировалась полноценная костная ткань с характерным клеточным составом.
Таким образом, трехмерный хондротрансплантат обладает высоким регенеративным потенциалом за счет способности эмбрионального хряща к пролиферации и синтезу тканей, что позволяет эффективно восстанавливать костные дефекты [35].
Клеточные сфероиды
Сфероиды, согласно изобретению, проведенному в МЦ МИИР, относятся к клеточным агрегатам шарообразной формы, сформированным из живых клеток путем трехмерного культивирования. Клеточные сфероиды, выращенные из клеток надкостницы, присоединяются к поверхности коллагеновой мембраны. В ходе этого процесса происходит их частичное распределение и адгезия на ней, при этом они начинают синтезировать коллаген, чьи волокна формируют структуру, которая связывает сфероиды с самой мембраной, создавая волокнистый остов [39]. Их важным свойством является способность к взаимной адгезии и последующему тканевому слиянию, а также к адгезии к элементам внеклеточного матрикса. Помимо этого, сфероиды продуцируют обширный набор секретируемых белков, которые способствуют ангиогенезу, снижают воспаление, активируют и привлекают собственные – эндогенные клетки реципиента для участия в костной регенерации. Изобретение обеспечивает возможность восстановления костной ткани в области костного дефекта за счет выращивания костного регенерата в области дефекта de novo на перфорированной резорбируемой мембране с осажденными на ее поверхность, адгезированными клеточными сфероидами из аутологичной надкостницы [40; 41].
ИМПЛАНТАТЫ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО ТИТАНА
Титан – популярный материал для протезирования. В некоторых случаях для изготовления протезов нужен пористый титан. В 2020 году в МАИ была разработана технология изготовления такого материала, состоящего из сваренных между собой тончайших волокон. Данные волокна имеют толщину всего 20–30 мкм и длину 200–300 мм.
Разработан метод формирования пористой структуры титана путем насыщения расплавленного металла водородом в вакууме. Благодаря особенностям получаемого материала прорастание костной ткани вглубь имплантата происходит быстрее по сравнению с традиционными аналогами. На границе раздела между имплантатом и костью формируется единая интегрированная структура, обеспечивающая надежную фиксацию всей конструкции. Кроме того, из нового материала можно создать пористую поверхность для элементов эндопротезов тазобедренного или коленного суставов [42].
Титан является важным материалом для реконструкции костных дефектов благодаря своим благоприятным биологическим свойствам, способности обеспечивать рост костной ткани, механической прочности, а также возможности полного срастания с костью. Анализ физических свойств этого материала в условиях взаимодействия с клетками и тканями человеческого организма открыл широкую область исследований в здравоохранении. Было установлено, что чистый титан обладает удивительной прочностью при относительно малом весе, устойчивостью к распаду, а также демонстрирует хорошую биосовместимость [43-45]. Однако инертность титана способствует образованию фиброзной ткани, а низкая устойчивость к коррозии приводит к его окислению, что может замедлить заживление кости и стимулировать высвобождение воспалительных цитокинов, вызывая хронический воспалительный процесс и нестабильность имплантата [5; 46]. Спустя 1 месяц после операции имплантат покрывается зрелой соединительнотканной капсулой, которая по истечении трех месяцев значительно уплотнялась [47].
Пористая структура металлического биоматериала позволяет врастать кости в поры импланта [44]. Высокопористый титан представляет собой перспективный остеозамещающий материал при переломах, которые сопровождаются потерей костной ткани, и может рассматриваться как носитель клеток при трансплантации [48]. В то же время титан способен к полной остеоинтеграции за счёт сходных характеристик с нативной костью [43].
Выводы
Материал, используемый для имплантации, должен способствовать формированию соответствующей структуры кости: остеонной при внедрении в костное ложе и трабекулярной у губчатой кости. Это предполагает наличие определенных свойств у материала: биосовместимость, остеокондуктивность, резорбируемость, остеоиндуктивность, замещаемость органотипической костной тканью.
Для восстановления костного дефицита применяются ауто- и аллотрансплантаты. Их биосовместимость позволяет повторно прикреплять коллатеральные связки, а универсальность этого метода позволяет лечить разнообразные формы костной недостаточности. Это дает хирургам возможность создать трансплантат, соответствующий конкретному дефекту, и избежать излишнего удаления костной ткани у пациента.
Синтетические материалы оцениваются прежде всего по остеокондуктивности. Монолитные образцы характеризуются стабильностью химического состава и формы, способствуя образованию соединительной ткани вокруг себя – инкапсуляции.