Аппараты внешней фиксации

Лечение заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата до настоящего времени представляет сложную клиническую задачу, поскольку частота ортопедической и травматологической патологии остается на практически постоянном высоком уровне. Социально-экономические потери заставляют клиницистов и научных работников совершенствовать старые и искать новые, эффективные средства и способы терапии.

Для ортопедов-травматологов традиционным выбором уже более 100 лет, начиная с конструкции доктора Parkhill (1897), является применение аппаратов внешней фиксации (АВФ).

Довольно условно можно выделить три основных этапа эволюции аппаратов внешней фиксации:

1. конструкционно-биомеханический;
2. материаловедческий;
3. интеллектуальный.

Диалектика развития АВФ на первом этапе показывает, что оно шло от стержневых к спицевым, а затем комбинированным спицестержневым системам. Последние оказались наиболее универсальными, с высокими биомеханическими параметрами системами, позволяющими улучшить процесс лечения переломов костей. Затем в некоторых типах АВФ стали использовать принцип динамизации, который активизирует процессы репарации костной ткани. Еще один подход, способный повысить качество АВФ, заключается в построении телескопических конструкций. Как показали исследования, телескопические АВФ обладают более высокими биомеханическими характеристиками по сравнению с обычными системами, что положительно влияет на результаты лечения переломов трубчатых костей.

В конце 90-х годов стало понятно, что биомеханический период, в его классическом понимании, исчерпал себя. Очевидно, что конструкционно АВФ подошли к пределу своих биомеханических возможностей.

Наступила эра активного использования новых материалов в погружных элементах АВФ. Оказалось, что создать оптимальную биомеханику АВФ можно не только за счет совершенствования конструкции, но и применяя новые подходы при создании имплантируемых частей систем внешней фиксации. Именно они (стержни, спицы) во многом определяют течение репаративных процессов в костной ткани и жесткость фиксации костных отломков, от которых, в конечном итоге, зависит стабильность АВФ.

Признан классическим тот факт, что при равных медико-биологических условиях успех применения АВФ зависит от реакции на границе имплантат-костная ткань. В связи с этим существуют два принципиально разных подхода к решению данной проблемы. Один из них использует принцип минимального взаимодействия с окружающими тканями (биоинертные материалы), другой, напротив, активно взаимодействует с костью, влияя на процессы регенерации и минерализации (остеокондуктивные и остеоиндуктивные материалы). При этом в обоих случаях имплантаты обладают высокой биосовместимостью и не вызывают негативных реакций.

Биоинертные имплантаты призваны свести к минимуму возмущения, вносимые в биологическую систему. Создание диэлектрического слоя на поверхности погружных конструкций позволило снизить нежелательный электрогенез, уменьшить процесс биодеградации имплантата и выделение токсических примесей из металла, что в значительной Мере ограничило фиброзную реакцию соединительной ткани. Использование в течение последних лет подобных имплантатов в АВФ позволило уменьшить отрицательные результаты при лечении переломов длинных костей до 2-3%.

По сравнению с общепринятыми стальными материалами проведенные исследования показали высокую клиническую эффективность биоинертных имплантатов как в плане повышения прочности фиксации в костной ткани, так и в отношении снижения вероятности воспалительных и инфекционных осложнений на протяжении всего срока аппаратного лечения. Снижение микроподвижности служило мощным фактором профилактики инфицирования спицестержневых каналов и препятствовало преждевременному снятию АВФ по клиническим показаниям.

Однако биоинертные покрытия образуют с костью только механическую связь вследствие прорастания волокон соединительной ткани в поры диэлектрического слоя. Следующим этапом эволюции ортопедических имплантатов можно считать создание материалов, активно и целенаправленно влияющих на механизмы перестройки костной ткани по типу остеокондукции и остеоиндукции. Такой способностью обладают кальциофосфатные покрытия. Известно, что фосфаты кальция являются основным компонентом неорганического костного матрикса.

Биоактивное керамическое покрытие состоит из натуральных либо синтетических фосфатов кальция с сохранением естественной кристаллической структуры, адекватного соотношения кальций/фосфор и набора микроэлементов, нанесенных на оксидированный титан различными способами (электрохимия, плазменное напыление, шликерная технология, использование магнетрона и др.) в зависимости от назначения и геометрии имплантата. Чем прочнее связь имплантата с костью, тем выше биомеханические характеристики аппаратов внешней фиксации.

Обобщая собственные и литературные данные, можно сделать вывод о том, что за время нахождения в организме кальций-фосфатное покрытие:

• восполняет локальный дефицит кальция и фосфора для роста костной ткани;
• формирует вокруг имплантатов зародышевые центры эндогенной кристаллизации и стимулирует процессы эпитаксии, необходимые для роста костной ткани по остеокондуктивному и остеоиндуктивному типам.
• усиливает процессы остеогенеза.

Подобные свойства кальций-фосфатных покрытий обусловлены заранее заложенной в них информацией для роста костной ткани. Сам ГА или ТКФ не способны к остеоиндукции. Феномен остеоиндукции на кальций-фосфатных материалах представляет собой опосредованный каскадоподобный механизм по созданию специфического костного микроокружения.

Оказалось, что формирование определенной микроархитектоники покрытий определяет и биомедицинские свойства имплантируемого устройства. Требуемыми параметрами покрытия являются:

1. кальциофосфатный слой известной толщины, структуры и пористости, имитирующий структуру остеона и определяющий уровень соответствующего биологического ответа (клеточный, органотканевой, системный);
2. заданный фазовый состав и степень кристалличности кальциофосфатов, создающие необходимую концентрацию на границе имплантат-кость;
3. адекватная прочность крепления кальций-фосфатного покрытия к титановой подложке;
4. технологичность нанесения кальций-фосфатных покрытий на металлические имплантаты с сохранением необходимых биологических свойств.

В этом случае информация, вложенная в имплантат в процессе его производства на атомно-молекулярном уровне, способствует созданию структурно функциональной связи между имплантатом и костью, которая определяет, в свою очередь, оптимальность биомеханики аппаратов внешней фиксации.

Оказалось, что наличие на имплантируемом устройстве биологически активного апатитного слоя является пусковым моментом создания специфического костного микроокружения, необходимого для запуска репаративно-регенерационных механизмов в поврежденной кости и нормализации минерального обмена. В силу заданных физико-химических свойств (мелкая пористость, малая толщина покрытия) электрохимические кальций-фосфатные покрытия способствуют продвижению кости вдоль границы раздела имплантат-ткань по типу «ползучего» остеогенеза. В таком режиме работают остеокондуктивные материалы.

Следующим шагом наших разработок явились остеоиндуктивные материалы. Примером может служить простая шликерная технология нанесения кальций-фосфатного покрытия на титановые имплантаты. Высокая пористость (размер пор около 200 мкм, пористость 40-50%) и объемность материала способствуют интеграции кальций-фосфатного покрытия в костную ткань в 4 взаимосвязанных этапа:

1. Механическая экспансия костной ткани в поры кальций-фосфатной керамики покрытия.
2. Формирование микроокружения для пролиферации и дифференцировки остеогенных клеток.
3. Индукция процессов остеогенеза в порах, использование кальций-фосфатного покрытия для роста кристаллов эндогенного ГА.
4. Остеокондукция костной ткани за счет продвижения новой кости по поверхности кальций-фосфатного покрытия и его остеоинтеграции через механизмы биодеградации и ремоделирования неорганической структуры.

Информационно-технологический потенциал, вложенный в создание остеоиндуктивных покрытий, реализуется посредством высокого «интеллекта» самих имплантатов, формирующих реакцию кости как единой структурно-функциональной системы. Как следствие, жесткость фиксации в кости остеоиндуктивных материалов возрастает по сравнению с остеокондуктивными покрытиями. При этом остеоиндуктивные покрытия настолько прочно врастают в костную ткань, что существующая проблема характера связи на границах кость-покрытие-титан переходит из биомедицинской в технологическую сферу.

На основании проведенных нами исследований патогенетический механизм действия остеоиндуктивных материалов можно представить в виде следующей схемы:

1. Активизация текстурированного апатитового слоя.
2. Формирование необходимой локальной концентрации аморфных фосфатов кальция.
3. Включение механизмов эндогенной кристаллизации гидроксилкарбонат апатитов и фосфатов кальция.
4. Адсорбция биологически активных молекул (МБК, ФРФ и др.) и повышение их количества до необходимого уровня для роста костной ткани.
5. Включение каскадоподобного механизма формирования опосредованного специфического костного микроокружения.
6. Адгезия остеогенных стволовых и вспомогательных клеток.
7. Стимуляция процессов пролиферации и дифференцировки остеогенных клеток-предшественников.
8. Образование и развитие костной ткани с учетом механизмов остеокондукции и закона Вольфа.
9. Включение механизмов остеоинтеграции и биодеградации кальций-фосфатных покрытий, с созданием единой структурно-функциональной системы: АВФ > имплантат > кость.

Использование остеокондуктивных и остеоиндуктивных имплантатов в АВФ при лечении переломов длинных костей в нашей клинике показало, что они существенно (в 1,5-3 раза) повышают прочность фиксации имплантатов в кости и позволяют устранить микродвижения в месте контакта костных отломков и предотвратить инфекции стержневого тракта. При этом снижается количество осложнений, связанных не только с развитием инфекций, но и с нарушениями регенерации и минерализации костной ткани. Остеоиндуктивные стержни оказались эффективны при лечении больных с остеопорозом, когда обычные имплантаты часто дают неудовлетворительные результаты. Экспериментальные и клинические данные свидетельствуют о том, что у таких больных улучшаются процессы репарации костной ткани.

Однако, несмотря на снижение количества негативных постимплантационных реакций, достигнутое применением материалов нового поколения, предупреждение возможных инфекционных осложнений является одной из основных задач при формировании заданных свойств имплантатов.

Модификацией покрытия для придания ему антимикробных свойств занимаются во всем мире. Мы решили использовать с этой целью имплантацию ионов металлов, в частности серебра, с определением допустимого соотношения бактерицидности и цитотоксичности. Было установлено, что содержание серебра в покрытии в дозе 6-9 ат.% обеспечивает оптимальное соотношение бактерицидной активности и минимального повреждающего действия на клетки.

Общая философия использования АВФ в травматологии и ортопедии должна соблюдать принцип соответствия между оптимальной биомеханикой, создаваемой аппаратом, и оптимальной биосовместимостью имплантатов, обусловленной выбором биоматериалов для каждого конкретного случая. Несоблюдение этого правила влечет за собой нарушение нормального процесса заживления перелома и развитие осложнений. Иными словами, оптимальную биомеханику в аппаратах внешней фиксации невозможно создать без использования современных материалов с известными биологическими свойствами. Разработанные нами биоинертные, остеокондуктивные, остеоиндуктивные и бактерицидные имплантаты значительно расширяют как стратегические, так и тактические возможности лечащего врача при лечении переломов длинных трубчатых костей и других заболеваний опорно-двигательного аппарата.

К следующему этапу развития АВФ (интеллектуальному) мы только подошли. Наметились лишь общие тенденции, когда конструкции АВФ будут строиться с учетом не только биомеханики, лучших достижений в области материаловедения, но и понимания тонких процессов, протекающих в поврежденной костной ткани на каждом этапе ее регенерации. Нами предпринята только попытка создания таких систем с использованием программного воздействия для регуляции репаративного остеогенеза при лечении переломов трубчатых костей. Однако интимные механизмы трансформации механического стимула в специфический биологический ответ все еще остаются неясными. Необходимо дальнейшее проведение более углубленных исследований в этой области знаний.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики