В ортопедическом Центре Илизарова в Кургане прошли стадию доклинических испытаний имплантаты, разработанные специалистами Томского политехнического университета. Эти имплантаты являются частью вариации аппарата Илизарова, применяемого для удлинения и исправления деформаций длинных трубчатых костей у детей. В ходе доклинических испытаний томские имплантаты помогли сократить сроки, необходимые для удлинения конечности, почти в два раза.

Результаты исследований представлены в журнале Biomedical Materials (IF 2,89; Q2).

Советский хирург Гавриил Илизаров в начале пятидесятых годов 20 века разработал специальный аппарат для исправления пропорций тела, кривизны ног, врожденных деформаций, косолапости, аномалий развития костей стопы у взрослых и детей. Его особенность заключалась в том, что фиксирующие кости элементы находились снаружи. Этот аппарат лежит в основе метода чрескостного остеосинтеза, который сегодня применяют более чем в 60 странах мира. Современный аппарат Илизарова состоит из титановых или углепластиковых стержней, которые фиксируются на конечности на пластинах различной формы и соединяются между собой подвижными штангами. За счет движения этих штанг врачи и проводят манипуляции с костью.

«В случаях, когда кость нужно удлинить — например, когда у ребенка ножки разной длины, что в будущем приводит к различным патологиям — проводится рассечение кости, и ее части медленно раздвигаются. Разработанный нами имплантат представляет собой титановую или стальную спицу, он используется в качестве “проводника”, помогающего сформироваться новой костной ткани. Такая спица вставляется внутрь трубчатой кости, — говорит один из авторов статьи, доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Сергей Твердохлебов. — Задача, которую помогает решить такой имплантат, — ускорение регенерации кости, а, следовательно, и сокращение срока реабилитации».

Имплантаты-спицы, разработанные в ТПУ, сделаны из традиционных для имплантологии материалов — стали и соединения ВТ6 (сплав титана с алюминием и ванадием). Однако ученые нанесли на них специальные покрытия. На стальные спицы-имплантаты политехники наносили покрытие методом аэродинамического формирования, оно представляет собой композитный материал на основе пьезоэлектрического фторуглеродного пластика и гидроксиапатита. На титановые имплантаты исследователи наносили покрытие из кальций-фосфата методом микродугового оксидирования.

«В университете разработаны технологии для изготовления как самих имплантатов, так и для нанесения на них покрытий. Эти покрытия приближены по своему составу и физическим характеристикам к реальной костной ткани, что улучшает приживаемость имплантатов, — поясняет один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ Евгений Больбасов. — Но здесь есть еще один важный нюанс. В больших трубчатых костях находится костный мозг, а в нем в большом количестве — мезенхимальные стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в различные типы клеток. Покрытие на имплантате, имитирующее состав кости, заставляет эти стволовые клетки “переквалифицироваться” в костный материал. И новая костная ткань начинает усиленно наращиваться вокруг имплантата. После успешного завершения процесса регенерации имплантат удаляется».

В случае с титановыми имплантатами и покрытием из гидроксиапатита мезенхимальные стволовые клетки реагируют на химический состав покрытия, и поэтому начинают дифференцироваться. А в случае со стальными имплантатами они реагируют на пьезоэлектрические свойства покрытия.

Фото: а – рентгеновский снимок кости с клинически используемым стальным имплантантом; б,в – с имплантантами, разработанными в ТПУ

На этапе доклинических испытаний специалисты Центра Илизарова прооперировали 24 собаки. Они сравнивали классические стальные, титановые имплантаты без покрытий и имплантаты с покрытиями, разработанные в ТПУ. Испытания показали, что с применением томских имплантатов 4 см костной ткани восстанавливались за 35 суток, а с классическими имплантатами — за 70 суток.

«При этом с использованием наших имплантатов плотность новой сформированной костной ткани была примерно в 2,5 раза выше и гораздо ближе к норме плотности здоровой кости, чем в случае с классическими имплантатами. Кроме того, ускорился процесс регенерации не только костной ткани, но и сопутствующей мышечной, соединительной ткани», — отмечает Евгений Больбасов.

Исследование поддержано грантом из средств Программы повышения конкурентоспособности ТПУ VIU-SEC B.P. Veinberg-210/2018.