Переломы костей стали весьма обычным явлением среди пожилых и старых людей, поскольку с возрастом кости становятся более хрупкими. Активные люди и в более молодом возрасте имеют достаточно большой риск переломов, связанный со спортивными нагрузками.

Профессор Томас Вебстер (Thomas Webster), директор лаборатории наномедицины, и его коллеги из Университета Брауна (Brown University), Провиденс, США в высокопрестижном журнале Journal of Material Chemistry рассматривают качественные изменения в современных костных имплантах, произошедшие благодаря прогрессу нанотехнологии.

Если перелом небольшой, он может быть заполнен костным цементом, в качестве которого часто используют полиметилметакрилат. Однако, если повреждения большие, используют более прочные элементы –металлические импланты на основе титана и титановых сплавов. Целей здесь обычно две – не только упрочнить место перелома материалом, способным поддержать вес тела, но и дать возможность роста новой костной ткани для полного восстановления функций кости.

В прошлом, костные импланты изготавливали из инертных материалов, подобранных потому, что они несильно изменяли функции организма и не генерировали очень массивных коллоидных шрамов (толстые слои ткани, формирующиеся вокруг импланта). Однако, эта принципиально довольно простая конструкция имела и свои существенные недостатки – по прошествии 10–15 лет соединение кости с имплантом теряет плотность, и такое расшатанное соединение, ухудшаясь со временем, приносит пациенту сильную боль. Как результат, пациенту приходится решаться на дополнительные операции для коррекции соединения путем замены импланта. Такая, коррекционная операция, совершенно нежелательна, поскольку чрезвычайно болезненна, дорога и вновь требует постоянной и интенсивной терапии пациента.

Поэтому, совершенно не удивительно, что исследователи и клиницисты проводят непрерывные работы, направленные на создание имплантов, которые могли бы успешно интегрироваться с окружающей костной тканью, причем, на все время жизни пациента. Ученые, используя опыт и понимание структуры кости и последовательность процесса формирования костной ткани, разработали различные методы преобразования этих, инертных, имплантов в импланты, которые могут способствовать росту кости. Один из первых подходов к изготовлению «активных» имплантов использует поверхностную химию для стимулирования взаимодействия имплантов с остеобластами.

Остеобласты – молодые остеобразующие клетки костей, которые синтезируют межклеточное вещество – матрикс. По мере накопления межклеточного вещества остеобласты замуровываются в нём и становятся остеоцитами. Вспомогательной функцией остеобластов является участие в процессе отложения солей кальция в межклеточном веществе (кальцификации матрикса). Такие методы привели к созданию ряда новых материалов для имплантов, таких, как, биоактивное стекло (биокерамика), которые демонстрируют успешное формирование кости. Ученым часто приходится прибегать к испытаниям новых кандидатов, поскольку необходимым является материал, который не только интенсифицирует рост костной ткани, но и обладает высокими механическими свойствами для использования в бесцементных содинениях, например, в качестве протеза шейки бедра. Материалы с подобным сочетанием свойств не всегда легко подобрать, даже среди композитов.

Значительные возможности в последнее время связывают с прогрессом в исследованиях биоматериалов, в особенности тех, где привлечены методы нанотехнологии. Тем не менее, разработка идеальных биоматериалов, которые могут иметь ресурс на все время жизни пациента, все еще остается проблемой.

Благодаря нанотехнологии сделан серьезный шаг в усовершенствовании ортопедических имплантов. Ортопедическая нанотехнология основана на понимании процессов, происходящих при взаимодействии между клеткой и материалом импланта. Живые клетки напрямую не взаимодействуют с имплантом, их контакты осуществляются через слой протеинов, которые практически мгновенно абсорбируются имплантом после его введения. В последнее время ученые существенно усовершенствовали многочисленные материалы, применяемые для изготовления ортопедических имплантов, включая титан и титановые сплавы, пористые полимеры, костный цемент и природный гидроксиапатит, путем модернизации их поверхностных свойств. Свойства основной части материала не меняются, сохраняя весьма желательные механические свойства. Модернизация материала касается только поверхности, которой, для улучшения взаимодействия с протеинами, придаются определенные наноразмерные свойства. Это приводит к тому, что клетки, формирующие костную ткань, пристают к импланту, обеспечивая и более плотное соединение и более активный рост кости.

Покрытие традиционных материалов для ортопедических имплантов, таких, как титан, слоем нанокластеров селена, позволяет изготовить импланты, блокирующие развитие рака.

Ученые пытаются создать более «умные» импланты, которые могут «чувствовать» какого рода ткань нарастает на них и передавать эту информацию на мобильные устройства, а также по команде выпускать медикаменты для регулирования скорости роста ткани. Такие импланты были разработаны в связи с необходимостью избежать осложнений, часто возникающих при имплантации кости. Такие осложнения могут быть связаны с инфекциями, воспалительными процессами (или ростом шрама), ослаблением контакта в соединении с имплантом, а в случае рака кости, рецидивом болезни. Наука занимается исследованием материалов, которые имеют особые свойства защиты организма от инфекции (например, серебро, цинк) или подавления роста раковых клеток (селен).

Условная диаграмма разработок материалов для ортопедических имплантов

Оригиналы рисунков см. в публикации: Phong A. Tran, Love Sarin, Robert H. Hurt and Thomas J. Webster. Opportunities for nanotechnology-enabled bioactive bone implants J. Mater. Chem., 2009 / DOI: 10.1039/b814334j

Евгений Биргер