Применение нанотехнологий для создания искусственных костей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова» (СПбГЭТУ)

Кафедра микро- и наноэлектроники

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

на тему: Применение нанотехнологий для создания искусственных костей

по дисциплине: Основы биологии и биофизики

Выполнила: Драпиковская Б.Т.

Проверила: Андреева А.В.

Санкт-Петербург - 2013г

Содержание

Введение

1. Костные материалы

1.1 Углеродный материал - один из самых востребованных

1.2 Применение углеродных материалов во время операций

1.3 Оценка использования углеродных материалов

1.4 Практические рекомендации по применению углеродистых материалов

2. Костные материалы, используемые в медицине

2.1 Исследователи из Кореи разработали новую методику для получения искусственных костей

2.2 Псевдокостный материал

2.3 Материалы, пригодные для замещения костных дефектов

2.4 Кости, напечанные на 3D принтере

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Проблема замены участков костей очень актуальна в современном мире, где заболеваемость остеопорозом, особенно среди пожилых людей, весьма распространена, не говоря уже о статистике по сложным переломам, которыми заканчиваются многие дорожно-транспортные происшествия.

Современная реконструктивная хирургия опорно-двигательной системы не мыслится без широкого использования пластического замещения дефектов костей и суставов. Основными методами пластики дефектов остаются трансплантация собственной и донорской костной ткани.

К современным имплантатам, используемым для замещения костной ткани, предъявляют большие требования. Материалы должны быть не канцерогенными, инертными по отношению к живым тканям, иметь достаточный запас механической прочности, быть стойкими к воздействию внутренней среды организма, иметь модуль упругости, близкий к нативной кости. Немаловажное значение имеет простота стерилизации и отсутствие значительных затрат при производстве и т.д. Искусственные материалы оценивают с механической и биологической позиций . Прочность современных имплантатов достаточно высока, однако взаимодействие искусственного материала и живой ткани ставит целый ряд вопросов. Например пересадка костной ткани - операция крайне сложная и чреватая масштабной реакцией отторжения, которая в конечном итоге может привести к обширному некрозу, сбою в иммунной системе человека и летальному исходу. Один из основных моментов- это возможность получения единой биомеханической системы кость - имплантат.

Большое количество искусственных материалов, предлагаемых для замещения костной ткани, создаёт значительные трудности при выборе оптимального варианта в конкретной ситуации. До настоящего момента не создана биомеханическая модель взаимодействия углеродных материалов и кости, не уточнены сроки формирования костно-углеродного блока при замещении костных дефектов, не определены варианты применения углеродных материалов в клинике.

На данный момент известно несколько способов решения такой проблемы, как замена человеческой кости имплантатом.

1. Костные материалы

Медики и специалисты по протезированию по всему миру сейчас ведут разработки новых материалов, которые могли бы послужить полноценной заменой костной ткани в организме человека. Такие материалы могут прийти на помощь в случае остеопороза или серьезных переломов.

Основная проблема псевдо-костных материалов заключается в том, что организм их не распознает как «родные» костные ткани и не приживается к ним. В итоге, в организме пациента с пересаженными костями могут начаться масштабные процессы отторжения, что в худшем варианте может даже привести к масштабному сбою в иммунной системе и смерти пациента.

Прежде чем проводить операции по трансплантации необходимо провести глубокий химический анализ совместимости всех компонентов, входящих в подобные протезы.

Перед медециной стоит задача создания материала, который как можно лучше будет соответствовать природным костям, максимально близко повторяя их свойства.

Ирландские ученые разработали метод восстановления костной ткани с использованием наночастиц гидроксиапатита. Результаты работы группы исследователей из Ирландского королевского хирургического колледжа (Royal College of Surgeons in Ireland) опубликованы в журнале Advanced Materials.

Кость является соединительной тканью, состоящей из погруженных в твердое основное вещество клеток. Основное вещество примерно на 30 процентов состоит из органических соединений, по преимуществу -- коллагеновых волокон. Неорганические соединения, которые на 70 процентов составляют основное вещество, по большей части представлены гидроксиапатитом, также в нем содержатся натрий, калий, магний, хлор, фтор, карбонат и цитрат.

В месте повреждения наночастицы гидроксиапатита в сочетании с коллагеном создают новый слой основного вещества кости. Часть наноразмерных частиц доставляет к поврежденному участку костные морфогенные белки (BMPs), которые относятся к факторам роста. Они способствуют остеогенезу, а также увеличивают дифференциацию молодых клеток кости (остеобластов).

Доказано, что искусственно созданный каркас в сочетании со стимулирующими остеогенез белками способствует росту нового участка костной ткани.

Ряд BMP уже одобрен к использованию в клинической практике. Восстановление костной ткани с использованием таких белков стоит примерно 6-10 тысяч долларов. Использование костных морфогенных факторов в больших дозировках может давать некоторые побочные эффекты, в числе которых повышение риска возникновения рака.

Некоторые ученые считают, что «стимуляция выработки костных морфогенных факторов клетками поможет избежать негативных последствий, и тогда восстановление костной ткани будет эффективным и безопасным.

Разработка заменителей костной ткани знаменует, на мой взгляд, важный этап в развитии человечества. Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное применение специально спроектированных керамических материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела. Эту область современного материаловедения именуют биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства.

Биокерамика должно обладать определенными химическими свойствами: отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии, механическими характеристиками (прочность, трещиностойкость, сопротивление замедленному разрушению, износостойкость), биологическими свойствами (отсутствие реакций со стороны иммунной системы, срастание с костной тканью, стимулирование остеосинтеза).

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом:

1) токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) - большинство металлов;

2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные, образуется соединительная волокнистая ткань) - керамика на основе Al2O3, ZrO2;

3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) и биорезорбируемые (происходит замена материала костной тканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла.

Основной недостаток биоинертной керамики - низкая долговечность вследствие экранирования механических нагрузок, приводящее к резорбции костной ткани, прилегающей к имплантату, и утрату последнего. Тем не менее, подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы, как заменители тазобедренного сустава.

Рис.1 Ортопедические имплантанты из апатит-волластонитовой стеклокерамики

К наиболее ярким представителям биоактивных материалов относятся биостекла (наиболее используется состав "45S5": 24.5 % Na₂O, 24.5 % CaO, 45.0% SiO₂, 6% P₂O₅; варьируя состав, можно изменять биоактивность стекол и их резорбируемость) и материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) - Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (плотная и пористая керамика; ГАП-покрытия на металлических имплантатах; композиты ГАП-полимер, моделирующие, как, например, композит ГАП-коллаген, состав и структуру кости). К сожалению, невысокие механические характеристики подобных материалов не позволяют создавать крупные нагружаемые имплантаты.

Рис.2 Использование стронция в лечении остеопороза

Последние публикации по данной тематике сообщают о получении кальциевой керамики, содержащей стронций. Для нового материала обнаружены противовоспалительные свойства, а применение стронция в лечении остеопороза кажется весьма многообещающим. Ученые полагают, что новый материал сможет использоваться для регенерации костной ткани, а также в качестве шаблонов для выращивания тканей. Эти выводы делаются на основе того факта, что ионы стронция могут заменять кальций в костной ткани, а стронцийсодержащие препараты способствуют увеличению плотности костей и успешно применяются для лечения остеопороза.

Разработанные исследователями материалы с добавками стронция содержат большое количество витлокита. Эта форма фосфата кальция более растворима, чем гидроксиапатит и при помещении в среду, соответствующую плазме крови человека, высвобождают ионы стронция в количестве, необходимом для проявления эффекта лечения от остеопороза, а также для защиты тканей, окружающих костный имплантат, от воспаления.

Использованная методика получения данного биокерамического материала заключается в осаждении геля с его последующей сушкой и обработкой, приводящей к образованию керамического материала. Эта методика отличается большим преимуществом по сравнению с существующими методами получения керамики - она не требует высоких температур, обеспечивает высокую чистоту и гомогенность материала, а также дает возможность контролировать размер пор материала.

Перспективны для применения в медицинских целях и углеродные материалы. Так, например, использование материалов на основе композитов углеродных трубок с полимерами позволяет создавать биосовместимые имплантаты. Упругие модули углеродных материалов близки к костным, а в ходе in vitro тестов не наблюдается ухудшения прочностных свойств. Другой перспективный "кандидат" на роль полного заменителя сустава - углеродный композит, армированный углеродными волокнами. Его механические свойства близки к характеристикам кости. Углеродные материалы биосовместимы, более того, можно легко контролировать их резорбируемость. На сегодняшний день углеродные композиты - наиболее вероятные материалы, которые прейдут на замену протезам.

Очень интересным и перспективным является так называемый "регенерационный подход". При этом используются различные материалы (биодеградируемые полимеры, биоактивные стекла, композиты HAp/CaSO4, Покрытие из НАр , на полимерных волокнах в растворе-аналоге межтканевой жидкости костные клетки и протеины на носителях из HAp, CaSO4 и др.) для стимуляции и ускорения костной регенерации. Правда, данный подход применим лишь к залечиванию малых дефектов.

Использование альфа-трикальций фосфата не позволяет создавать кости, которые бы могли держать вес тела, но, тем не менее, кости из него в десять раз более прочные, чем искусственные кости на основе гидроксилапатита. Кроме того, "напечатанные" кости обходятся дешевле и создать такие имплантаты значительно проще, чем из гидроксилапатита (его приходится спекать, чтобы соединить частицы между собой, да и замещаются здоровой тканью такие кости дольше).

Востребованность пересадки костей не вызывает сомнений. Эта процедура необходима людям, страдающим врожденными дефектами, перенесшими тяжелые травмы, заболевания (в том числе опухоли костных тканей), а также людям старшего возраста у которых увеличивается хрупкость костей [1].

1.1 Углеродный материал - один из самых востребованных

Один из самых распространённых и надежных материалов в реконструктивной хирургии костей и суставов - углеродный материал

С этой точки зрения еще в 60-е годы в качестве имплантируемого материала специалисты начали применять углерод. Главное его достоинство - инертность по отношению к живым тканям. Тем не менее, механические свойства обычного углерода не позволили применять его в условиях значительных и даже умеренных механических нагрузок .

Возвращение интереса к углероду обусловлено созданием нового поколения углеродных материалов, механические свойства которых могут быть заданными и регулироваться в значительных пределах. Возможность моделирования свойств углеродных материалов соответственно параметрам нативной костной ткани позволило рассматривать биомеханическую систему кость-имплантат как единое целое .

На данный момент изучены и применены в клинической практике два варианта углеродных материалов нового поколения: углерод-углеродный композиционный материал и высокопористый ячеистый углерод.

Всесторонние исследования углеродных материалов в эксперименте (биохимическое, токсикологическое) позволили применить их в клинических условиях.Доказано, что высокопористый ячеистый углерод прорастает костной тканью, образуя прямое прочное соединение без соединительнотканной прослойки. Данное положение подтверждено микроскопическими исследованиями костно-углеродных шлифов в отражённом свете светового и электронного микроскопа. Установлено, что при высокой пористости костные балки, прорастающие имплантат, повторяют или воспроизводят структуру губчатой кости, и дифференцировать имплантат и нативную кость в отдалённом периоде не представляется возможным. Выявлено, что после удаления костных опухолей не возникает опасности гиперплазиогенного эффекта вследствие абсолютной инертности углеродных материалов. Так же, углеродные материалы не препятствуют пространственному расположению фиксаторов вплоть до возможности проведения их через имплантат. Изучено, что имплантаты из углерод-углеродного композиционного материала не уступают по своим механическим и биологическим характеристикам другим искусственным материалам, но значительно ниже по себестоимости [2].

Один из самых важных факторов - использование в реконструктивной хирургии опорно-двигательного аппарата углеродных материалов не требует повторных операций для их удаления. Высокопористый ячеистый углерод по его биологическим и биомеханическим характеристикам можно рекомендовать как материал выбора при пластике дефектов губчатой кости различной этиологии. Его применение уменьшает, а в ряде случаев полностью ликвидирует потребность в аутотрансплантации костной ткани.

Углерод-углеродный композиционный материал положительно зарекомендовал себя при пластике дефектов плоских костей. Через 3 месяца после операции наступает биологическая фиксация имплантата за счёт врастания костной ткани в поверхностные поры материала. Это обеспечивает длительную стабильность системы кость - имплантат. Образование зон критического напряжения, ведущее к резорбции костной ткани, определяется не только величиной модуля упругости имплантируемой конструкции, но и его изменением на протяжении. Применение на практике метода конечных элементов при компьютерном моделировании поведения костной ткани позволяет прогнозировать нестабильность имплантируемых конструкций и длительность их существования.

Выделяется несколько положений в пользу использования углеродных материалов:

1. Углерод-углеродный композиционный материал и высокопористый ячеистый углерод инертны по отношению к живым тканям и могут быть использованы для замещения дефектов костной ткани.

2. Математическое моделирование взаимодействия костных структур с ножкой эндопротеза тазобедренного сустава показало, что для равномерного распределения нагрузок вокруг имплантата последний должен иметь переменный модуль упругости.

3. Высокопористый ячеистый углерод - пластический материал, применение которого целесообразно при заполнении дефектов губчатых костей. Имплантаты из ВПЯУ легко обрабатываются интраоперационно, прорастают костью на всю глубину, обеспечивая надёжную стабильность, восстанавливая архитектуру эпиметафизарной зоны.

4. Использование углерод-углеродного композиционного материала возможно при замещении дефектов плоских и длинных трубчатых костей.

Изучены два вида углеродных материалов: высокопористый ячеистый углерод и углерод-углеродный композиционный материал. По химическому составу оба материала представляют собой чистый углерод. В основе производства ВПЯУ лежит дублирование высокопористой структуры сетчато-ячеистого полимера. Карбонизация последнего (нагревание при температуре до 1100° по Цельсию без доступа кислорода) приводит к образованию материала, перемычки которого, составляющие основу ячеистой структуры, представляют собой композиции разных углеродных материалов, связанных между собой пиролитическим углеродом. Объём вещества в высокопористом ячеистом углероде составляет от 2 до 12%.

Важным шагом стало изучение возможности применения углеродных материалов in vivo.

Сроки наблюдения за животными при исследовании поведения костной ткани в контакте с углерод-углеродным композиционным материалом составили 1,3, 5,12 месяцев.

Через месяц после имплантации материал вызывал слабую клеточную реакцию мягких тканей как реакцию на операционную травму. В мягких тканях и костном мозге происходило образование соединительнотканной капсулы, отграничивающей имплантат. Признаков воспаления не было отмечено. Костная ткань реагировала пролиферацией остеобластов и формированием костных балок. Через 3 месяца клеточная реакция на имплантат отсутствовала. С костной тканью поверхность имплантата образовала прочный костно-углеродный блок за счет врастания костной ткани в поры и неровности материала.

В послеоперационном периоде возникло 6 осложнений. У 3-х животных диагностированы переломы бедра на месте вмешательства. Нагноение в области имплантата наблюдали у 3 животных в сроки от 1 до 2-х месяцев. В 1-ом случае гнойный процесс был купирован вскрытием и дренированием абсцесса. Это не повлияло на формирование костно-углеродного блока. В 2-х случаях в условиях гнойной раны фиксации имплантата не произошло.

При изучении костной ткани после замещения её дефекта высокопористым ячеистым углеродом сроки наблюдения за животными составили 1, 3, 5 месяцев. Анализ макропрепаратов показал, что уже через месяц от мягких тканей имплантат отделен тонкой соединительнотканной прослойкой. Через 3 месяца при контакте с губчатой костью сформировался прочный костно-углеродный блок. К концу пятого месяца во всех наблюдениях поры материала были заполнены костной тканью. В данной серии эксперимента не было зарегистрировано ни отторжения имплантатов, ни нагноения послеоперационных ран.

Полученные результаты свидетельствуют об инертности углеродных материалов и отсутствии их неблагоприятного действия на организм.

1.2 Применение данных материалов во время операций

Наиболее сложными в плане оперативного лечения были переломы типа «С», при которых эпиметафиз расколот и полностью отделен от диафиза. Такие переломы наблюдали преимущественно в трудоспособном возрасте вследствие тяжелых автодорожных травм или при падении с большой высоты. В этой группе было оперировано 29 пациентов. Оперативное лечение больным проводили после тщательного предоперационного планирования на 4 - 5 сутки от поступления. У трех пострадавших при переломе типа «С»1 использовали расширенный парапателлярный доступ, надколенник при этом смещали кнаружи. При оскольчатых и импрессионных переломах типа «С»2 и «С»3 в начале работы операцию выполняли из расширенного парапателлярного доступа. В дальнейшем при таких переломах использовали срединный доступ с г-образным рассечением собственной связки надколенника. Фиксацию отломков производили длинными опорными пластинами, иногда использовали 2 пластины (по наружному и внутреннему мыщелкам). Образовавшийся дефект кости после восстановления конгруэнтности суставной поверхности заполняли высокопористым ячеистым углеродом. Восстанавливали собственную связку надколенника и дополняли вмешательство разгрузочной проволочной петлёй, проведенной трансоссально через надколенник и бугристость большеберцовой кости. Нестабильный характер остеосинтеза, сопутствующие повреждения связочных структур, травматичность вмешательства были показанием к внешней иммобилизации в послеоперационном периоде. Иммобилизацию проводили в течение 6 недель. Для уменьшения болевого синдрома и отека мягких тканей с 3-их суток начинали магнитотерапию. После снятия швов проводили массаж и электростимуляцию четырехглавой мышцы бедра. Через 12 недель после оперативного лечения проводили дозированную нагрузку.

Отдалённые результаты лечения у больных с переломами типа «В» оценены как отличные у 38 % пациентов, хорошие - 41,5 %, удовлетворительные - 18 %, не удовлетворительные - 2,5 %. Последние были связаны с несанкционированной ранней осевой нагрузкой на оперированную конечность.

Результаты лечения больных с переломами типа «С» выглядят следующим образом: отличные результаты получены у 12,8% больных, хорошие - у 49,8%, удовлетворительные - 25%, неудовлетворительные - у 12,4%. Неудовлетворительный результат получен в 2-х случаях у больных, которым во время операции не была восстановлена конгруэнтность суставной поверхности.

Таким образом, клиническое применение углерод-углеродного композиционного материала и высокопористого ячеистого углерода подтвердили их инертность. При замещении больших дефектов губчатой кости высокопористый ячеистый углерод может быть использован как самостоятельно, так и в комбинации с костными аутотрансплантатами [ 3,4,5,6].

1.3 Оценка использования углеродных материалов

1. Изучение взаимодействия углерод-углеродного композиционного материал и высокопористого ячеистого углерода с живыми тканями не обнаружило морфоструктурных изменений в тканях и органах, что свидетельствует об отсутствии токсического и мутагенного эффекта. Полученные результаты доказывают инертность углеродных материалов.

3. Компьютерное моделирование показывает, что существует возможность прогнозировать возникновение зон с повышенной концентрацией нагрузок на кость и давать долгосрочный прогноз выживаемости эндопротезов различных модификаций.

4. Изучение результатов экспериментальных исследований замещения костных дефектов показало, что углеродный материал и кость образуют прямое соединение. Через 3 месяца поры и неровности материала заполняются костной тканью, обеспечивая имплантатам биологическую фиксацию с формированием прочного костно-углеродного блока. Отделить имплантат от кости не представляется возможным. Это позволяет рекомендовать углеродные материалы в клиническую практику травматологов-ортопедов.

5. Высокопористый ячеистый углерод является материалом выбора при замещении дефектов проксимального метафиза большеберцовой кости при импрессионных переломах. Его использование упрощает оперативное вмешательство и снижает травматичность.

6. Дефекты губчатой кости после удаления опухолей любой локализации объёмом до 3 см3 достаточно заместить только углеродным материалом. При дефектах более 3 см3 показана комбинированная пластика высокопористым ячеистым углеродом и аутокостью.

7. Углерод - углеродный композиционный материал может быть использован как несущая конструкция опорно - двигательной системы.

8. Феномен биофиксации, возможность целенаправленного изменения модуля упругости в имплантатах делает углерод-углеродный композиционный материал материалом выбора при замещении дефектов плоских и длинных трубчатых костей.

9. Хорошие отдалённые результаты замещения дефектов костной ткани углеродными материалами позволяют рекомендовать их для использования в реконструктивной хирургии костей и суставов. Гнойные осложнения носят общехирургический характер и не связаны с материалами. Неудовлетворительные результаты эндопротезирования тазобедренного и плечевого суставов протезами из углерод-углеродного материала требуют пересмотра концепции их производства.

1.4 Практические рекомендации по применению углеродистых материалов

1. На основании экспериментальных и клинических исследований целесообразно применение в клинической практике для замещения дефектов костной ткани высокопористого ячеистого углерода и углерод - углеродного композиционного материала.

2. При хирургическом лечении импрессионных переломов проксимального отдела голени и пяточной кости целесообразно замещать дефект кости, образующийся после репозиции, высокопористым ячеистым углеродом.

3. Замещение дефектов губчатой кости при импрессионных переломах высокопористым ячеистым углеродом не снимает необходимости проведения остеосинтеза металлическими конструкциями. Всё это обеспечивает раннее функциональное восстановление конечности.

4. При замещении дефектов метафизарной зоны после удаления костных опухолей более 3 см2 следует комбинировать применение высокопористого ячеистого углерода с костными аутотрансплантатами. Последние в виде мелких чипсов помещают со стороны суставной поверхности.

5. Применение углерод-углеродного композиционного материала для пластики дефектов костей свода черепа является альтернативой другим искусственным материалам. Для образования эффекта биофиксации углеродный имплантат первоначально должен быть прочно фиксирован к костям черепа. Наиболее целесообразно для фиксации использование скоб из металла с памятью формы и металлических мини пластин.

искусственный костный ткань хирургия

2. Костные материалы, используемые в медицине

На данный момент в Лондоне удалось создать псевдо-костный материал, который наиболее похож по своему составу на настоящие кости и имеет минимальные шансы на отторжение. Новые искусственные костные материалы фактически состоят сразу из трех химических соединений, которые симулируют работу настоящих клеток костной ткани.

На сегодня британские специалисты пока ограничиваются опытами на лабораторных мышах, но достигнутые результаты уже значимы. В процессе опытов исследователи трансплантировали небольшой фрагмент новой костной ткани в череп лабораторных мышей, во всех проведенных опытах не было зафиксировано отторжения, более того в тех частях черепной коробки, где наблюдалось истощение костной ткани был нарощен протез, который позже был окружен естественными клетками костной ткани.

Данный факт говорит о том, что в первом опыте новые искусственные кости не вызывают отторжения, а это крайне важно. Многие пациенты испытывают проблемы с костной тканью, которая была повреждена в результате несчастного случая или заболевания.

2.1 Исследователи из Кореи разработали новую методику для получения искусственных костей

Поскольку новый способ позволяет получать искусственные кости еще более близкие по свойствам к натуральным, есть надежда, что новый материал для имплантатов окажется более совместимым с регенерирующейся костной тканью. Большое внимание в последнее время привлекают биомиметические подходы восстановления поврежденных костных структур, однако для успешного процесса лечения крайне важна совместимость и близость свойств имплантанта с естественной костной тканью.



Новый способ получения искусственных костных структур сочетает в себе методы воспроизведения губчатой ткани и электропрядения.

Большая часть исследований, посвященных методам получения искусственных костей, была направлена на получение материалов, имитирующих губчатое вещество кости - структуру, содержащую большое количество пустот, зачастую расположение этих пустот похоже на расположение ячеек в пчелиных сотах. Однако для полноценного практического применения искусственных костей необходимо, чтобы такие структуры могли содержать фрагменты, имитирующие кортикальный слой кости - уплотненную ткань, формирующуюся во внешних слоях кости. Кортикальный слой кости не характеризуется таким количеством пустот, как губчатое вещество, однако в кортикальном слое присутствуют каналы, по которым в кости подаются питательные вещества, необходимые для ее формирования. Узелки из биоматериала на полимерной основе (полиметилметакрилат-полкапролактон-гидроксиапатит) наматывали на стальные провода диаметром около 0,3 мм с помощью метода электропрядения (электропрядение представляет собой нанотехнологический процесс получения тканеподобных структур из микроволокон под воздействием электрического заряда). Полученные структуры объединяли с основой, представляющей искусственное губчатое вещество кости, которое, в свою очередь, получали с помощью стандартной методики из оксида циркония и фосфата кальция. На заключительном этапе стальные проводки удаляли, и полученный в итоге композит обладал значительным подобием небольших костей человека.

Полученная в результате всех операций структура отличалась большой прочностью, а также характеризовалась 70%-ной пористостью, что, практически отвечает характеристикам обычной кости. Тесты подтвердили, что искусственные кости отличаются высокой степенью биологической совместимостью, которая, очевидно, важна для применения таких материалов в имплантации [7].

2.2 Псевдокостный материал

Псевдокостный материал, разработанный сотрудниками лондонского Королевского медицинского колледжа, в наибольшей степени соответствует показателям совместимости с человеческой костной тканью и, следовательно, имеет наименьшие шансы на отторжение.

Новый искусственный материал, который в ближайшем будущем, возможно, начнут использовать для "наращивания" поврежденных костей, состоит из трех химических соединений и стимулирует "родные" клетки костной ткани организма. Пока, правда, опыты проводились только на лабораторных мышах. Однако результаты экспериментов вселяют оптимизм. По словам руководителя исследовательского проекта Молли Стивенс, все вживленные грызунам искусственные кости прижились без отторжения.

В ходе экспериментов небольшие фрагменты псевдокостной ткани имплантировались в черепные кости мышей. Чужеродный элемент не только не отторгался организмом животных, он способствовал образованию в сопредельных тканях новых естественных клеток.

Тем временем японские специалисты занимаются разработкой "сырья" для искусственных суставов. Недавно сотрудники Института материаловедения Университета Тохоку объявили о том, что им удалось оптимизировать состав титанового металлического стекла, и теперь его можно использовать как биомедицинский материал. Новизна технологии заключается в особой обработке поверхности стекла, которая создает биоактивную мембрану, пригодную для использования в качестве прочной соединительной ткани между костями. Японские ученые уже изготовили прототип искусственного сустава для пальцев рук.

Титановое металлическое стекло более чем втрое крепче титана, но при этом по свойствам упругости близко к человеческой кости. Высокая прочность не дает этому материалу крошиться в абразивную пыль при трении. Кроме того, этот материал не канцерогенен, поскольку не содержит никеля - в отличие от нержавеющей стали, которая до сих пор применялась в изготовлении искусственных суставов.Правильное совмещение костей в искусственном суставе - это главная проблема подобного рода операций. Если имплантаты хоть немного отклонятся от нужной позиции, сустав будет работать неправильно, спровоцирует ослабление костей и откажет в среднем в течение десяти лет. Эта технология весьма актуальна для развитых стран, где продолжительность жизни достаточно велика и численность пожилых людей, соответственно, высока. Престарелые пациенты в большинстве своем страдают от заболеваний суставов, при этом повторные операции по установке протезов из-за опасности общего наркоза им не рекомендуются.

2.3 Материалы, пригодные для замещения костных дефектов

Разработкой материалов, пригодных для замещения костных дефектов, занимается довольно интенсивно Харьковский НИИ ортопедии и травматологии им. М.Ситенко. Искусственные монокристаллы (сапфиры, рубины), углеродные имплантаты, полимеры, металлы - испытаны и используются в клинической практике. Но особенно удачной оказалась корундовая керамика на основе оксида алюминия. Изобретенные сотрудниками института им. М.Ситенко и Харьковского НИИ огнеупоров различные виды керамики, пригодной для пластики костей (пористая, компактная, слоистая) прошли весьма солидные испытания в эксперименте на животных, в лабораториях, из них создано множество конструкций и форм, которые сегодня широко используются в практике ортопедической хирургии. Достаточно сказать, что только в клинике института им. Ситенко за последние два десятилетия выполнено свыше полутора тысяч операций с применением керамических имплантатов и эндопротезов, используется алюминиевая керамика многими хирургами СНГ, некоторых других стран (Италия, Япония). Новой страницей общей темы поиска заменителей костной ткани несомненно является так называемая биоактивная керамика на основе гидроксилапатита. Ради исторической справедливости нужно сказать, что первое сообщение о применении кальций-фосфор-керамик для замещения дефектов костной ткани относится к 1920 году (T.Albee), а активное исследование кальций-фосфатных керамик начали проводить в семидесятые годы, когда T.Weiss и J.Osborn (1978 г.) провели рентгенструктурный анализ гидроксилапатита и установили, что он практически идентичен минеральному веществу костной ткани. Постепенно выясняются многие вопросы проблемы: токсичность, биоактивность, особенности перестройки различных видов гидроксилапатита в костной ткани, хирургическая техника использования, осложнения, показания к применению и другие.

2.4 Кости, напечанные на 3D принтере

Самым лучшем вариантом воспроизведения кости является печать на 3D принтере. 3D-принтер -- устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели.

Особо стоит отметить бурно развивающуюся в последнее время трехмерную печать для создания искусственных костей. Учёные с факультета инжиниринга тканей из клиники при университете Токио вкупе с венчурной компанией Next 21 создали необычное предприятие -- BoneFactory («Фабрика костей»).



Рис.3 Применение искусственной костной структуры

Искусственная костная структура, отпечатанная на трёхмерном струйном принтере (она -- белого цвета), приложена к модели черепа пациента, "выкроенной" по томограмме. В ходе первых испытаний технологии, которые шли полтора последних года, учёные пересадили различные искусственные костные структуры одной собаке и десяти людям (собаке породы корги пересадили часть черепа, людям же проводили реконструктивную хирургию лица).

В чём же заключается суть новой технологии? Создание искусственной кости начинается с построения компьютером на основе рентгеновских и томографических снимков пациента 3D-модели будущей кости. Затем компьютерная модель разрезается на большое количество слоёв, каждый из которых (по очереди) пересылается на специальный струйный принтер. "Бумагой" для такого принтера служит слой порошка альфа-трикальций фосфата (б-ТКФ), а "чернилами" - связующее в виде полимера на водной основе, которое затвердевает при контакте с б-ТКФ.

Периодическое нанесение слоёв порошка и связующего в виде рисунка позволяет воспроизвести кость любой желаемой формы и размера с точностью в один миллиметр. Получается прочная, лёгкая и пористая "напечатанная" кость, которая по своим свойствам очень схожа с природной костной тканью. В результате после имплантации искусственная кость более-менее выполняет свою работу и, что важно, постепенно заменяется здоровой человеческой костной тканью, которая прорастает сквозь имплантат. То, что напечатанные кости приживаются и весьма эффективно, было доказано в ходе нескольких операций на людях в возрасте от 18 до 54 лет (испытания проводились с марта 2006-го по июль 2007 года).

В медицине такой принтер применяют:

Разработки университета Миссури, позволяющие наносить на специальный био-гель сгустки клеток заданного типа. Развитие данной технологии -- выращивание полноценных органов.

В медицине, при протезировании и производстве имплантатов (фрагменты скелета, черепа, костей, хрящевые ткани). Ведутся эксперименты по печати донорских органов

Технология позволяет печатать «кости», не уступающие по прочности реальным, но легче по весу.

Ученым из Вашингтонского университета (Washington State University) с помощью 3D-принтера удалось создать материал, похожий на костную ткань. По их мнению, его можно использовать для восстановления поврежденных костей любой формы и сложности.

Как сообщает руководитель исследования Сасмита Боуз, данный материал можно добавить к пострадавшим костям, где он будет служить каркасом, пока растут новые кости. Со временем он растворяется без видимых побочных эффектов.

Команда ученых под руководством С.Боуз в течение четырех лет разрабатывала материал.

Прорыв произошел тогда, когда специалисты обнаружили, что основной материал искусственной кости - фосфат кальция -- становится прочнее, если к нему добавить диоксид кремния и оксид цинка. Для изготовления каркаса будущего протеза они использовали 3D-принтер ProMetal, предназначенный для создания металлических объектов. Принтер из специального порошка и пластика послойно (толщина с человеческий волос) напечатал искусственный материал. После этого его обжигали в специальной печи при температуре 1250 градусов по Цельсию. В результате прочность материала на сжатие возросла в 2,5 раза по сравнению с начальной. Клинические испытания, проведенные на эмбриональных костных клетках, показали, что кость начинает расти на «подпорке» уже на первой неделе. По словам ученых, данная методика уже прошла успешные лабораторные испытания на крысах и кроликах. Эксперты отмечают, что созданный материал может оказаться полезным в лечении различных костных заболеваний, а также в стоматологии.

3D-принтер может совершить революцию в протезировании. Создание протезов с его помощью в разы сокращает их стоимость. При этом значительно сокращается срок изготовления протезов, что особенно важно для детей: они растут, и протезы для них приходится часто менять.

На выставке в Лондонском музее науки представлены экспонаты, которые позволяют увидеть возможности применения 3D-печати в медицине. После того, как южноафриканский плотник Ричард Ван потерял пальцы в результате несчастного случая, он решил создать недорогой протез руки для людей без пальцев. Такой механический протез с функционирующими пальцами, получивший название Robohand, можно распечатать на 3D-принтере. Детали собираются с помощью кабелей и винтов в готовый протез, который позволяет при сгибании запястья сжимать пальцы. Чертежи для изготовления этого протеза находятся в свободном доступе в Интернете, что позволяет любому человеку, имеющему 3D-принтер, сделать свою собственную версию Robohand. Ричард Ван изготовил несколько бесплатных протезов для детей. Стоимость подобного протеза составляет всего $150. Такая низкая цена стала возможной только благодаря применению 3D-принтера. Каркас поддерживает костные клетки и позволяет им заполнить отверстие.

Такие каркасы напечатаны из биоразлагаемых материалов, подобных тем, что используются в хирургии. Через три года каркас растворится, оставив новые здоровые кости. Эти 3D-протезы суставов выполнены методом 3D-печати из порошка титана, который хорошо зарекомендовал себя в протезировании тем, что не вызывает отторжения тканей. Благодаря компьютерной томографии такие протезы выходят чрезвычайно точными. Уже скоро эту технологию можно будет использовать для протезирования бедра, колена или локтя.

Но печать на 3D принтере пошла еще дальше.

Механическая рука создана Ричардом Гааге и исследовательской группой Ноттингемского университета, которая изучает возможность использования 3D-принтера для воссоздания электрических, оптических и даже биологических функций руки. «На данный момент 3D-печать использует один материал -- полимер или металл, спекаемый вместе с помощью лазера. Вы можете создать сколь угодно сложные геометрические фигуры, но они по-прежнему будут оставаться пассивными. А мы хотим оживить их и заставить работать на благо человека. Поэтому вместо того, чтобы печатать отдельные компоненты, мы хотим печатать сразу целую систему», -- говорит Ричард Гааге.

3D-печать действительно охватывает всё. Это сопоставимо с web-технологиями, которые могут быть применены ко всему, что мы захотим.

Заключение

На данный момент использование нанотехнологий набирает обороты. Современная медицина сегодня начинает активно использовать достижения нанотехнологий, тем самым обретает новое направление своего развития под названием наномедицина. Наномедицина - это медицина, основанная на достижениях современной науки охватывающих практически все знания накопленные человечеством. Наномедицина активно используется для создания искусственных костных материалов и костных имплантатов. Эта отрасль медицины позволяет устранить проблемы замены участков поврежденных костей, а так же позволяет бороться с остеопорозом, болезнью, особенно распространенной среди пожилых людей.

Наиболее активно используемые вещества для создания искусственных костей - это наночастицы гидроксиапатита, биокерамика, углеродный материал и кости, напечатанные на 3D - принтере.

Список используемой литературы

1. Вильяме Р. Имплантаты в хирургии.- М.: Медицина.- 1978.- 552с.

2. Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты.- М.: Сайнс-пресс, 2007. 190 с.

3. Скрябин В.Л. Замещение дефектов губчатой кости искусственными материалами / В.Л. Скрябин // Пермский медицинский журнал. - Пермь, 2008. - Т.20- №2. - С. 115-121.

4. Скрябин В.Л. Углеродный материал нового поколения в эндопротезировании костей и суставов / В.Л. Скрябин [и др.] // Изд-во Пермского гос. университета, Пермь, 1993. - 65с.

5. Скрябин В.Л. Имплантация нового углеродного материала при пластике посттравматических дефектов свода черепа / В.Л.Скрябин, А.С.Денисов // Материалы 6-го съезда травматологов ортопедов: Н.Новгород, 1997.- С. 212.

6. Скрябин В.Л. Замещение эпиметафизарных дефектов костей пористым углеродом после удаления доброкачественных опухолей и опухолеподобныхзаболеваний / А.С.Денисов, ВЛ.Скрябин, С.Б.Булатов // Второй съезд травматологов-ортопедов Уральского федерального округа. - Курган, 2008. -С. 118-120

7. Берченко Г.Н. Биоактивные кальций-фосфатные материалы (КФМ) и стимуляция репаративного- остеогенеза // Биоимплантология на пороге XXI века. М., 2001.- С. 37 - 38.

8. Алабут A.B. Экспериментально-клиническое обоснование применения конструкций из никелида титана в травматологии и ортопедии: автореф. дис. канд. мед. наук. Ростов н/Д., 2002. - 20 с.

Размещено на Allbest.ru

...