ИМПЛАНТАТ ДЛЯ ХИРУРГИЧЕСКОГО ЛЕЧЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КОСТНОЙ И ХРЯЩЕВОЙ ТКАНЕЙ

Имплантат для хирургического лечения дефектов
костной и хрящевой тканей
Полезная модель относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии и может быть использована для замещения и пластики дефектов кости, хряща, сустава или их поврежденных частей при врожденных и приобретенных заболеваниях и травмах.
При хирургическом лечении заболеваний и травм, сопровождающихся повреждением соединительной ткани, а именно костной и хрящевой, а также отдельных морфологических элементов крупных суставов, возникает необходимость компенсации - замещения дефектов с помощью имплантатов. В качестве имплантатов используют аутоматериалы или искусственные полимеры, обладающие биосовместимостью и достаточным уровнем прочности, зависящих от физико-химических свойств материалов, применяемых для их изготовления.
Известен «Имплантат для замещения дефекта кости» [патент RU №111759], состоящий из цилиндра с выступами. Цилиндр выполнен в виде сетчатого каркаса из никелидтитановой проволоки.
Известен также имплантат для возмещения дефекта кости [патент RU №118554], состоящий из сетчатого каркаса, выполненного из никелидтитановой нити и сформированного слоями по типу трикотажной вязки. Сетчатый каркас выполнен в форме муфты, вдоль которой по центру проходит стержень из пористого сплава. Концы стержня оголены, образуя выступы для фиксации в костномозговом канале.
Однако каркасы, выполненные из никелидтитановой нити или проволоки не обладают способностью к резорбции в окружающих имплантат тканях и их применение может привести к развитию дистрофических изменений.
Известен также имплантат, описанный в патентах RU №2204361, №88952. Имплантат выполнен из композиционного материала, содержащего многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси указанных стержней. Известный имплантат обладает достаточным уровнем прочности, хорошей биосовместимостью, после операционного применения хорошо фиксируется в кости.
2
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является «Имплантат для компенсации костных дефектов» [патент RU №88954], основа которого выполнена из композиционного материала, содержащего многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси указанных стержней, и углеродную матрицу. Основа имплантата покрыта слоем гидроксиапатита с содержанием 0,05-1 г гидроксиаппатита на 1 см поверхности основы.
Однако углеродные волокна обладают ограниченной способностью к биодеградации. Ограниченная резорбция компонентов волокна может способствовать возникновению воспалительного процесса в параимплантарной зоне и формированию гранулем вследствие неспецифической реакции организма, возникающей в ответ на наличие чужеродных агентов.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции биосовместимого и биодеградируемого имплантата.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в имплантате для хирургического лечения дефектов костной и хрящевой тканей, представляющем собой объемную трехмерную конструкцию, содержащую основу, на внешнюю поверхность последней, по крайней мере, частично, нанесен сетчатый каркас из наноструктурированного материала, сформованный из хаотично уложенных волокон, при этом основа и каркас изготовлены из поликапролактона, основа выполнена пористой, в поликапролактон каркаса введены частицы карбоната кальция или гидроксиапатита, а составные элементы имплантата имеют следующие параметры:
диаметр волокна- 50-500 нм;
пористость основы>90%;
максимальная толщина сетчатого каркаса - 500 мкм;
толщина основы - 0.5-5 мм.
Заявляется также имплантат для хирургического лечения дефектов костной и хрящевой тканей с вышеописанными признаками, в котором каркас нанесен по всей внешней поверхности основы.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении в максимально короткие сроки интеграцию имплантата с окружающими патологический очаг тканями за счет адгезии и пролиферации клеток тканей внутри сетчатого каркаса при повышении прочностных свойств новообразующейся ткани.
2
Биосовместимость поликапролактона, из которого изготовлены основа и каркас, определяет адекватный тканевый ответ окружающих патологический очаг зон, сопровождающийся неспецифическим усилением трансмиграции отдельных клеточных элементов крови по волокнам сетчатого каркаса имплантата, которые вместе с эндогенными факторами свертывания, в свою очередь, способствуют дальнейшей миграции в зону патологического очага специфических тканевых элементов, а именно фибро- и остеобластов. Поликапролактон, обладая биомиметическими свойствами, является синтетическим хемоаттрактантом, стимулирующим цитокин-опосредованную миграцию как полиморфноядерных лейкоцитов, так и тканевых макрофагов, что определяет необходимый баланс факторов воспаления и регенерации тканей в очаге поражения/повреждения в прилежащих неизмененных тканях. Имеющаяся способность поликапролактона к биодеградации, развивающейся в оптимальные сроки от 1 до 3 лет, определяется возможностью образования метаболически активных компонентов, таких как, капроновая кислота, вода, СО, которые полностью экскретируются из зоны имплантации, не вызывая развития отсроченного тканевого ответа, а также дистрофических изменений окружающих мягких тканей. Совокупность таких конструктивных особенностей, как наличие сетчатого каркаса и выполнение основы пористой дополнительно определяет возможность адгезии пролиферирующих остео-, фибробластов и последующее врастание новообразованных сосудов в соединительно-тканный матрикс под влиянием ростовых факторов и цитокинов, что обусловливает интеграцию имплантируемой конструкции в окружающие патологический очаг ткани в более короткие сроки.
Введение в структуру сетчатого каркаса из волокон поликапролактона частиц карбоната кальция и/или гидроксиапатита способствует как повышению прочности новообразованной ткани, так и активации остеогенеза за счет стимулированной данными веществами миграции фибро- и остеобластов к зоне образования соединительной ткани. Свободные частицы карбоната кальция или гидроксиапатита, находящиеся в зоне формирования хрящевого или костного регенерата, которые встраиваясь в его структуру, обеспечивают повышение прочностных свойств за счет усиления минерализации вновь образующейся тканей.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг., на которых изображены: на Фиг. 1 - схематичное изображение имплантата для хирургического лечения дефектов костной и хрящевой тканей, на Фиг. 2 - хаотично уложенные волокна сетчатого каркаса. На Фиг. 1 позициями 1-3 обозначены:
1 - основа;
2 - хаотично уложенные волокна каркаса;
3 - частицы карбоната кальция и/или гидроксиапатита.
Имплантат для хирургического лечения дефектов костной и хрящевой тканей представляет собой объемную трехмерную конструкцию. Последняя состоит из пористой основы и нанесенного на его внешнюю поверхность наноструктурированного материала в виде сетчатого каркаса. Имплантат и его составные элементы выполнены с учетом анатомической формы и/или анатомического профиля поверхности восстанавливаемых, корригируемых или замещаемых кости, хряща, сустава и поврежденных частей сустава. В связи с чем, имплантат может иметь различные геометрические формы и размеры, а также наноструктурированный материал может быть нанесен только частично на внешнюю поверхность основы, по крайней мере, с одной из ее боковых сторон, или на всю ее внешнюю поверхность полностью по типу оболочки. Сетчатый каркас сформован из хаотично уложенных волокон, расположенных разнонаправлено относительно друг друга. Основа и сетчатый каркас изготовлены из разрешенного для медицинского применения поликапролактона - биосовместимого и биодеградируемого полиэфира с низкой температурой плавления. Элементы имплантата характеризуются следующими геометрическими параметрами: диаметр волокна- 50-500 нм; пористость основы>90%; максимальная толщина сетчатого каркаса - 500 мкм; толщина основы - 0.5-5 мм. В поликапролактон, из которого изготовлен сетчатый каркас, введены частицы карбоната кальция или гидроксиапатита.
Имплантат для хирургического лечения дефектов костной и хрящевой тканей используют следующим образом.
Во время хирургического вмешательства после вскрытия мягких тканей в зоне повреждения и удаления разрушенного или патологически измененного участка по размерам образовавшегося дефекта подбирают необходимый размер и форму имплантата. При необходимости, размер имплантата может быть дополнительно скорректирован в соответствии с индивидуальными размерами дефекта. Имплантат устанавливают в предварительно сформированное, обработанное под него костное ложе. Замещение костного дефекта в динамике контролируют рентгенологически, при помощи методов рентгенографии и сканирующей электронной микроскопии. Затем рану послойно ушивают.
Пример.
Заявляемая полезная модель реализована в ряде экспериментальных образцов.
Было проведено тестирование на биосовместимость заявляемого имплантата к дермальным фибробластам человека в условиях in vitro. Тестирование проводили на адгезивных клетках механоцитах − фибробластах (клетках, участвующих в пролиферативной фазе асептического воспаления).
В ходе эксперимента нами были протестированы следующие варианты имплантатов, изготовленных из
- поликапролактон+гидроксиапатит;
- поликапролактон+карбонат кальция
в следующих соотношениях:
Образец
Поликапролактон, %
Гидроксиапатит, %
Карбонат кальция, %
1
97,5
2,5
-
2
97,5
-
2,5
3
95,0
5,0
-
4
95,0
-
5,0
5
92,5
7,5
-
6
92,5
-
7,5
5
Высаживание клеток на матрицу проходило в концентрации 4Ч10. Культивирование проводили в СО2-инкубаторе при 37°С и 4,5% СО2. Контролем служили чашки Петри с полной ростовой средой и образцами исследуемого материала, в которые не высевали фибробласты, и чашки Петри с культурой фибробластов, которые пассировали и наблюдали одновременно с экспериментальными, но не подвергали никакому воздействию.
В ходе эксперимента оценивали адгезию клеток к волокнам матриц, целостность монослоя, форму и размеры клеток.
Оценку состояния клеток, культивируемых на данных материалах, проводили с помощью инвертируемого микроскопа. На SEM микроскопе определяли морфологию волокна и клеточных культур, их расположения на матрице, пролиферацию и адгезию. Для подтверждения адгезии клеток производили окрашивание Акридином Оранжевым (по стандартным методикам) и смотрели на флуоресцентном микроскопе.
Проведенные исследования показали, что используемые в данном эксперименте дермальные фибробласты быстро адгезировали и пролифирировали на поверхности матриц, что говорит о биосовместимости матриц из данного материала, и об отсутствие токсического эффекта. Морфофункциональные свойства клеток сохранялись, а пролиферативная активность была несколько выше, чем в контроле.
Наблюдение за пролиферативной активностью клеток осуществлялось с помощью флуоресцентной микроскопии. При детальном рассмотрении образцов во флуоресцентном микроскопе с использованием светофильтра в синей области спектра явно были видны ярко-зеленое свечение фибробластов. Характер актинового скелета у клеток всех типов свидетельствовал о высокой степени их сродства к матрицам.
При помощи SEM снимков была детально изучена морфология матриц и распределение клеток вдоль их волокон. Полученные результаты также свидетельствовали о высокой адгезии фибробластов. Форма и размер клеток была типичная для данной культуры. Визуально степень пролиферации была выше на поликапролактоне с добавками гидроксиапатита или карбоната кальция.
Изделие готовится к практической апробации в медицинском учреждении.