Электрофизиологические свойства костной ткани

Как любой живой системе костной ткани присущи проявления биоэлектрогенеза. Различают два вида электрических потенциалов, наблюдаемых в костях: статические и динамические. В первую группу включают потенциалы покоя, стрессовые, ростовые и регенерационные, а во вторую, связанную с деформацией, - потенциалы пьезоэлектрические, пироэлектрические, связанные с перемещением среды (Ньюман, Ньюман, 1961; Ткаченко, Руцкий, 1989).

Образование электрических потенциалов в живых тканях, содержащих электролиты, связывают с распределением ионов (Бэссет, 1967; Frost, 1963). Ионная асимметрия возникает в результате работы ионных каналов, деполяризации клеточной мембраны, диффузии ионов.

Как известно, разность электрических потенциалов между цитоплазмой и наружной поверхностью клетки называется потенциалом покоя (ПП) и может быть мерой функциональной активности и жизнеспособности этой клетки.

Измерение суммарной величины ПП для костной клетки, с помощью хлорсеребряных или каломельных электродов, показывает, что метафиз отрицателен по отношении к эпифизу, а последний либо нейтрален, либо слабо отрицателен по отношению к диафизу.

Продольное распределение экстракортикального статического потенциала в бедренной кости кролика (по С.С. Ткаченко, В.В. Руцкому, 1989)

Измерения статического потенциала кости на различных уровнях выявляют взаимосвязь между этим параметром и кривизной и толщиной кортикальной пластинки. Плоские части костной ткани были более электроположительными по сравнению с выпуклыми и более толстыми участками. Следует отметить, что распределение потенциала по поперечному сечению костной ткани также показывает различие в их величинах и знаках. Оказалось, что экстракортикальные и интрамедуллярные статические потенциалы на одинаковом уровне очень близки по максимальным значениям, но противоположны по знаку. Все это необходимо учитывать при использовании биоматериалов, обладающих электропроводящими, полупроводящими, пьезоэлектрическими или диэлектрическими свойствами как при размещении их вдоль поверхности кости, так и при введении в костную ткань (Ньюман, Ньюман, 1961; Ткаченко, Руцкий, 1989). В любом случае вокруг имплантата, как и любого инородного тела, в той или иной степени возникают негативные гальванические эффекты между положительно и отрицательно заряженными зонами. Кроме того, при повреждении костной ткани, вызванном травмой или при введении имплантатов, также происходит изменение электрических потенциалов. В эксперименте на животных было показано, что разность потенциалов в участке остеотомии или перелома кости всегда имеет отрицательное значение, достигающее 15 мВ, а постоянный ток при этом составляет 5-8 мкА (Ткаченко, Руцкий, 1989).

Условно, с позиции электрогенеза, выделяют 3 стадии заживления костной ткани после травмы. В первую, длящуюся 10-14 суток, наблюдается повышение амплитуды до 450-500 мВ. Затем происходит постепенное снижение статического потенциала до 300 мВ. После чего, на каком-то этапе происходит резкий спад напряжения до 50 мВ и снижение всех параметров до фоновых показателей. В области регенерации костной ткани статический потенциал всегда более электроотрицателен по сравнению с неповрежденными областями. По-видимому, такой тип распределения заряда имеет важный биологический смысл, т.к. нарушение этого показателя, возникающее под действием внешних или внутренних факторов, приводит к нарушению процессов репарации костной ткани. Природа этого феномена до сих пор остается мало понятной (Ньюман, Ньюман, 1961). Тем не менее, показано, что в области анода происходит снижение рН среды с 7,2-7,4 до 6,7-6,9, сопровождающееся снижением активности остеобластов и повышением остелитической функции остеокластов, уменьшением плотности костной ткани на 33-38% за счет ее резорбции. В области катода, напротив, значение рН среды возрастало до 8,1-8,3, наблюдалось увеличение рентгеновской плотности кости до 47-52%, повышение активности щелочной фосфатазы в остеобластах до 1,8-2,2 и выраженном остеогенезе. Интересно, что в последнем случае наряду со стимуляцией образования костной ткани происходит активация процессов костномозгового кроветворения. Кроме того, было показано, что при декальцинации кости амплитуда статического потенциала в зависимости от уровня минерализации постепенно утрачивала свою упорядоченность со снижением абсолютных значений до нуля (Ткаченко, Руцкий, 1989).

Следует отметить, что если статический потенциал кости обусловлен, в основном, работой живых клеток, то динамический электрогенез ткани связывают с экстрацеллюлярными компонентами. Считается, что деформация коллагена и гидроксиапатита, в силу анизотропности их кристаллической структуры приводит к появлению пьезоэлектрических, пироэлектрических и механоэлектрических эффектов. Причем при деформации кости на вогнутой поверхности образуется электроотрицательный, а выпуклой - электроположительный заряд. Кроме того, кость является полупроводником, а область контакта коллагенгидроксиапатит исполняет роль P-N перехода (Ньюман, Ньюман, 1961).

По-видимому, динамический электрогенез присущ и многим биоматериалам, имеющим анизотропную кристаллическую структуру, состоящим, например, из кальциофосфатной биокерамики. Теоретически, при деформации пластин или стержней, покрытых гидроксиапатитом, могут возникать значительные амплитуды колебаний положительных и отрицательных зарядов, распределяющихся по силовым линиям концентрации напряжения при механической нагрузке. При этом могут стимулироваться как процессы образования, так и резорбции костной ткани. В последнем случае это приводит к расшатыванию имплантата. Все это необходимо учитывать при разработке новых биоматериалов.

Тестирование электрических и электрохимических свойств имплантатов, применяемых в травматологии и ортопедии (эндопротезы, аппараты для остеосинтеза, металлические пластины, винты, стержни и т.п.) можно проводить при помещении их в физиологический раствор или среды, имитирующие телесные жидкости. По данным А.Ю. Каныкина и соавт. (1998), такое испытание необходимо проводить в физиологическом растворе в течение суток. При этом измерения микротоков, разности потенциалов и др. проводят каждые 4 часа. Если разность потенциалов между имплантантом и электролитом превышает 200 мВ в последние 16 часов, то такие материалы считают условно критическими, а использование их в лечебных целях нежелательно.

Еще один подход, направленный на блокирование негативных электрических реакций в костной ткани в ответ на введение имплантатов, связывают с использованием диэлектрических покрытий. В этом случае на имплантаты, предназначенные для длительного нахождения в организме, наносят покрытия из полимеров или металлокерамики, не проводящие ток.

Нами разработаны и на протяжении 5 лет широко используются в клинической практике для лечения переломов длинных трубчатых костей диэлектрические биоинертные покрытия, нанесенные методом электрохимического или микродугового оксидирования. Имеются более тысячи наблюдений за применением биоинертных спиц, стержней и пластин как в нашей, так и других клиниках РФ.

При этом не было отмечено ни одного случая резорбции костной ткани или иного рода осложнений, которые можно связать с негативными электрическими или электрохимическими реакциями в костях (Карлов и др., 1995, 1996, 1997; Karlov et al., 1996, 1997, 1998).


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