История развития костных материалов

В качестве первых имплантатов с глубокой древности вплоть до XVIII века применялись драгоценные металлы, в основном золото и серебро, позднее также платина. В XIX веке в клиническую практику вошло использование высококачественных нержавеющих сталей. На смену им в начале XX века пришли высокопластичные танталовые, легкие титановые и высокопрочные кобальтовые и молибденовые сплавы. Большинство имплантатов на сегодняшний день металлические, широкое применение которых обусловлено их прочностью, жесткостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Первой процедурой костной пересадки традиционно считается выполненная св. Дамианом и св. Козьмой в III в. пересадка кадаверного аллотрансплантата нижней конечности пациенту с опухолью ноги [Finkemeier C.G.Bone-grafting and bone-graft substitutes // J. Bone Joint Surg. Am. 2002. Vol. 84. P. 454−464]. Понятно, что эта попытка осталась на страницах описаний как историческое событие, не имевшее какого-либо целебного успеха. Но это говорит о стремлении медицины к подбору «запасных» биологических частей для человека [Имамалиев А. С. Биологическая оценка трансплантируемых тканей. М., 1975].

В 1965 профессор Ингвар Бранемарк возглавлял группу исследователей в Университете Гетеборга (Швеция) проводивших исследования, которые, в конечном счете, привели к открытию явления остеоинтеграции (приживления титана в костной ткани). Исследования Бранемарка были направлены на изучение аспектов восстановления и регенерации кости после травмы. На основании этого явления был сделан вывод о биоинертности титана, а последующие исследования привели к созданию наиболее прогрессивной системы протезирования за всю мировую историю стоматологии и ортопедии.

Титановые имплантаты широко применяются и сегодня. Основной проблемой в применении титана для медицинского назначения является возможная цитотоксичная реакция организма на биоинертный материал. Во избежание подобной реакции на титановые имплантаты принято наносить биосовместимые покрытия, как правило, включающие в свой состав ионы кальция, фосфора и кислорода, стимулирующие рост костной ткани.

В начале 60-х годов в «Naval Ordnance Laboratory» (США) были обнаружены эффект памяти формы и сверхэластичные свойства в сплавах никеля и титана равного состава. В зарубежной литературе этот сплав был назван нитинолом по химической формуле TiNi и аббревиатуре названия лаборатории. Позже это название было вытеснено химическим — никелид титана. Изначально сплав использовался в военной и авиационной промышленности.

В СССР в начале 70-х годов в Сибири были развернуты широкомасштабные исследования по внедрению в медицину нового поколения материалов. В основе этого лежало открытие явления гистерезисного запаздывания биологических тканей, сделанное Г. Э. Гюнтером. «Живая ткань» в ответ на любое воздействие, включая механическое, в начальный момент «думает», как ей поступить, т. е. ее реакция не мгновенна, а проявляется с некоторым запаздыванием. При снятии воздействия внешних факторов реакция «живой ткани» также запаздывает, и это проявляется в том, что она некоторое время сопротивляется снятию самих внешних факторов, например, сопротивляется снятию напряжения, оставаясь в напряженном состоянии. Величина гистерезиса тканей является их конкретной характеристикой. Это означает, что оптимальный имплантат должен обладать биомеханической совместимостью с тканями организма, т. е. быть по поведению подобным живой ткани. Этому требованию удовлетворяли изделия из сплавов никеля и титана [ Гюнтер В. Э., Ходоренко В. Н., Ясенчук Ю. Ф. и др. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. Томск: МИЦ 2006; 296.

Коллеров М.Ю., Гусев Д. Е., Кузнецова Н. Н. Материаловедческие и биомеханические особенности применения фиксаторов с саморегулирующимся уровнем компрессии из сплава ТН1 для остеосинтеза. Научные труды МАТИ 2007; 13: 85: 273 — 277.

Лихачев В. А. Эффект памяти формы. Соровский образовательный журнал 1997; 3: 107 — 114.]. Однако широкое применение этих сплавов сдерживается сложностью металлургического производства никелида титана, очень сложной технологией переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания и силовыми характеристиками и, как следствие — высокой стоимостью [ Пурецкий М. В., Иванов А. С., Тараян М. В. Опыт использования системы Amplatzer septal occlude для закрытия дефектов межпредсердной перегородки. Хирургия 2008; 2: 10 — 14.

Коллеров М.Ю., Ильин А. А., Полькин И. С. и др. Структурные аспекты технологии производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана. Металлы 2007; 5: 77 — 85.].

В середине 90-х годов ХХ века технология производства изделий из никелида титана значительно изменилась. Использование новой технологии позволяет управлять структурой никелида титана на наноуровне и создавать изделия с заранее заданными температурными и силовыми характеристиками [Федоров А.В., Коллеров М. Ю., Рудаков С. С., Королев П. А. Применение нанотехнологически структурированного никелида титана в медицине// Хирургия. Журнал им. Н. И. Пирогова, 2009; 2; 71]. В последние годы в Томском НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы разработаны пористые имплантаты из сплава ТН-1П на основе никелида титана. Отличием их от монолитного никелида титана является взаимодействие с тканями в виде прорастания ткани в поры имплантата [атент Российской Федерации RU 2 127 613 Дилататор желчных протоков. Авторы: Прокошкин С. Д.; Рыклина Е. П.; Хмелевская И. Ю.; Добродеев С. А.; Белый Ю.Н.].

Началом применения полимерных материалов в медицине следует считать 1788 год, когда во время операции А. Шумлянский прибег к каучуку. Затем в 1895 году был использован целлулоид для закрытия костных дефектов после операций на черепе. В 1939 году совместные усилия стоматологов и химиков (И. Ревзина, Г. Петрова, И. Езриелева и др.) привели к созданию полимера АКР-7 для изготовления челюстных и зубных протезов. Вскоре появился ряд пластмасс из акриловых смол, оказавшихся пригодными для глазных протезов и восстановительных операций в челюстно-лицевой хирургии. В 1943 году С. Федоровым из полиметилметакрилата впервые сделана заплата для закрытия дефекта черепа. В настоящее время этот материал широко применяется у нас в стране и за рубежом. Из него изготовляют трубки для дренирования слезного мешка, гайморовой полости, протезы кровеносных сосудов, клапанов сердца, пищевода, желудка, мочевого пузыря, желчных протоков, уретры, хрусталика глаза; штифты и пластинки для фиксации костей при переломах, полимерные сетчатые «каркасы» для соединения кишок, сухожилий, трахеи.