Медицина / 7.

д.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет, Россия

Статья подготовлена при поддержке гранта Президента РФ
МК-1799.2011.8.

Морфология биосовместимых покрытий и ее влияние на остеоинтеграцию медицинских имплантатов

Важной и актуальной проблемой эффективного применения медицинских металлических имплантатов в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и ортопедии является обоснованный выбор оптимальных параметров поверхностной структуры имплантационных материалов для обеспечения их прочной взаимосвязи с окружающей костной тканью [1, 2]. Данная взаимосвязь может быть достигнута преимущественно за счет макро- и микроинтеграционного взаимодействия имплантируемых медико-технических конструкций с костью. При этом необходимо, чтобы функциональная внутрикостная поверхность имплантатов обладала высоким уровнем биосовместимости и выраженной гетерогенной структурой с наличием большого количества открытых пор, размер которых должен обеспечивать нормальное проникновение костных клеток с последующим зарастанием всей поверхности костным регенератом.

Оптимизация остеоинтеграционных процессов в условиях применения металлических имплантатов достигается путем стимулирования репаративного остеогенеза и активизации деятельности костных клеточных структур в окружающей имплантат области. Такие условия обеспечиваются, в первую очередь, остеокондуктивными свойствами материалов, определяемыми их фазово-структурным состоянием и характером морфологии поверхности [3].

Роль микрорельефа поверхности в проявлении материалами имплантатов остеокондуктивности подтверждается многочисленными экспериментальными данными, указывающими на влияние поверхностной микрогеометрии имплантируемых изделий на механизмы взаимодействия с костной тканью и характер взаимосвязи с ней [3-5].

В настоящей работе рассмотрено влияние вида поверхности металлических имплантационных конструкций на процесс их остеоинтеграции и приживления в организме.

Так, представляется вполне очевидным, что использование гладкой поверхности не может создать прочное контактное взаимодействие имплантатов с костью из-за отсутствия возможности протекания остеоинтеграционного процесса и малой фактической площади контакта такой поверхности с окружающей тканью. Например, рельеф поверхности, полученной токарной обработкой металлических имплантатов, носит слабо выраженный однонаправленный характер без признаков морфологической гетерогенности (рис. 1). Поверхность с такой структурой не может обеспечить эффективную взаимосвязь имплантатов с костной тканью и достаточно прочное их закрепление в кости. Многочисленные клинические исследования на лабораторных животных показывают непригодность таких имплантатов при лечении различных костных патологий как челюстно-лицевого отдела, так и опорно-двигательного аппарата, вследствие отсутствия протекания вокруг гладких имплантатов процессов активного костеобразования. Наблюдается только наличие в различной степени выраженной фиброзной ткани, существенно затрудняющей приживление имплантатов.

Рис. 1. Поверхность имплантата из биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т с гладким рельефом после токарной обработки

Придание гладкой металлической поверхности высокой степени шероховатости значительно повышает ее остеокондуктивность и способность интеграционного взаимодействия с костными структурами. Неровности рельефа поверхности определяют характер ее физико-механического взаимодействия с окружающей тканью и создают необходимые условия для прорастания костных клеток в микровпадины различной формы и глубины с образованием относительно прочной взаимосвязи имплантата с тканью. Поэтому, формированию высокой степени шероховатости поверхности имплантатов уделяется большое внимание. Кроме того, исходная шероховатость имплантатов может значительно повысить адгезию и поверхностную пористость специально наносимых биоактивных покрытий за счет прочного механического сцепления их частиц с основой и воспроизведения (копирования) микрорельефа поверхности основного металла тонкими слоями покрытия.

Развитая шероховатая поверхность материалов характеризуется повышенным уровнем энергии, оказывающей определенное влияние на степень адсорбции белков из контактирующей биосреды. Этот фактор является важной составляющей начального процесса приживления имплантата, т.к. предшествует последующей клеточной пролиферации и дифференциации [3]. За счет увеличенной площади удельной поверхности шероховатых имплантационных материалов повышается и концентрация на них адгезивных белков внеклеточного матрикса и цитоплазмы, что приводит к ускоренному присоединению клеток к поверхности. При этом с шероховатой поверхностью взаимодействует значительно большее количество клеток в сравнении с гладкой поверхностью, поэтому пролиферация, дифференциация и синтез внеклеточного матрикса протекают быстрее на шероховатых структурах материалов.

Рельеф шероховатой поверхности характеризуется наличием макро- и микронеровностей с присутствием крупных выступающих частиц и глубоких впадин, а также сложноориентированных элементов профиля (рис. 2). Такая структура обусловлена высокой гетерогенностью и способна обеспечить эффективное взаимодействие имплантатов с костной тканью. Данное гетерогенное строение является благоприятным для протекания остеоинтеграции и может способствовать формированию прочной биотехнической системы «имплантат – окружающая кость».

Рис. 2. Поверхность имплантата из биоинертного титанового сплава ВТ6 с шероховатым рельефом после пескоструйной обработки корундовым абразивом дисперсностью 450 мкм

Однако создание наилучших условий для протекания остеоинтеграционных процессов обеспечивают открытопористые биосовместимые поверхности с величиной суммарной открытой пористости на уровне 30-60% и размером пор 20-200 мкм. Такие поверхности стимулируют репаративный остеогенез и обладают высокими остеокондуктивными свойствами. Наличие большого количества пор приводит к существенному возрастанию величины удельной поверхности, способствует адсорбции увеличенного количества адгезивных белков, ускоряет миграционные клеточные механизмы и транспортные биохимические системы, создавая оптимальные условия для образования новой костной ткани.

Открытопористые системы за счет обеспечения высокой сорбционной активности способствуют интенсификации фактора роста кости, т.е. остеостимуляции, вызывая ускорение процессов костеобразования. Такие высоко открытопористые поверхности формируются, в основном, путем нанесения на металлические имплантаты биоактивных покрытий на основе биодеградируемых материалов – это, как правило, разновидности кальцийфосфатных керамик (гидроксиапатит, фторгидроксиапатит и др.), обладающих выраженными остеокондуктивными качествами (рис. 3). Однако с технико-экономической точки зрения кальцийфосфатные покрытия целесообразнее использовать на имплантатах постоянного либо длительного функционирования, таких как стоматологические внутричелюстные пластинчатые, конические и цилиндрические несущие опоры несъемных зубных протезов, а также ортопедические остеофиксаторы аппаратов внешнего остеосинтеза, вводимые в различные костные сегменты на период, составляющий 7-9 месяцев и более. В случаях применения временных имплантатов со сроком функционирования от нескольких недель до 2-3 месяцев более эффективным является использование пористых покрытий на основе углерода, биостекла, оксидов биоинертных металлов, полимерных композитов (рис. 4). Покрытия из указанных биосовместимых материалов, во-первых, могут обеспечить прочную взаимосвязь с окружающей костью благодаря врастанию ткани в поры и углубления микрорельефа поверхности при создании надежного закрепления имплантатов в кости, во-вторых, обеспечить последующее атравматичное удаление имплантационных конструкций из костных частей организма за счет проникновения кости лишь на определенную глубину пор, контролируемую технологическим режимом нанесения покрытия.

Рис. 3. Поверхностная структура порошковых кальцийфосфатных биоактивных покрытий на имплантатах из титана ВТ1-0: а – гидроксиапатитовое покрытие; б – фторгидроксиапатитовое покрытие

Рис. 4. Поверхностная структура оксидных биосовместимых покрытий на металлических имплантатах: а – воздушно-термическое оксидное покрытие на нержавеющей стали 12Х18Н9Т; б – паротермическое оксидное покрытие на титановом сплаве ВТ16 [6, 7]

Между покрытием имплантата и биосредой происходит биофизикохимическое взаимодействие с образованием и адгезией на поверхности белковых структур, их разрастанием и проникновением в углубления, а также поры рельефа поверхности в условиях определенной деструкции ее материала. В результате такого взаимодействия имплантата создается прочная биотехническая система «имплантат – окружающая ткань» с высокой эффективностью функционирования. При этом на формирование остеокондуктивных качеств и биоактивности большое влияние оказывает морфологическая гетерогенность поверхности имплантата, определяемая комплексом показателей ее шероховатости, а также параметров выступов и углублений, включая поры. Поэтому исследование микрогеометрии поверхности имплантационных покрытий является важнейшим этапом в разработке и создании современных медицинских имплантатов для различных направлений восстановительной хирургии.

Таким образом, повышенную эффективность применения проявляют металлические имплантаты с функциональными пористыми и морфологически развитыми покрытиями из материалов, не только совместимых с биологическими структурами, но и обеспечивающих стимулированный рост костной ткани с последующей ускоренной остеоинтеграцией.

Литература

1. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль биологической фиксации и остеоинтеграции в реконструкции кости / Н.А. Корж, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина и др. // Ортопедия, травматология и протезирование. 2005. №4. с. 118-127.

2. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль индукции и кондукции в остеогенезе / Н.А. Корж, В.А. Радченко, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина // Ортопедия, травматология и протезирование. 2003. №2. с. 150-157.

3. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль оптимизации и стимуляции в реконструкции кости / Н.А. Корж, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина // Ортопедия, травматология и протезирование. 2008. №4. с. 5-14.

4. Хлусов И.А. Генез костной ткани на поверхности имплантатов для остеосинтеза / И.А. Хлусов, А.В. Карлов, И.В. Суходоло // Гений ортопедии. 2003. №3. с. 16-26.

5. Биосовместимые материалы: Учебное пособие / Под ред. В.И. Севастьянова, М.П. Кирпичникова. М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2011, 544 с.: ил.

6. Патент РФ на изобретение №2412723. Способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В., Карпова А.И. Опубл. 27.02.2011.

7. Патент РФ на изобретение № 2332239. Способ получения биосовместимого покрытия на остеофиксаторах из титана / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Ткачева А.В. Опубл. 27.08.2008.