Кальцификация биоматериалов

Для ортопедических биоматериалов, в отличие от используемых в других отраслях имплантологии, процесс кальцификации является в большинстве случаев положительным моментом, улучшающим интеграцию с костной тканью. Как правило, кальцификация сопровождается отложением кристаллов гидроксиапатита. Преципитация солей магния, например, в виде брушита является нежелательным моментом, т.к. образующийся материал имеет низкие прочностные характеристики. Предпосылкой для кальцификации является адсорбция белков, клеток, действие продуктов их распада или конформации в комбинации с механическим или гидростатическим напряжением. Кроме того, во многом этот процесс зависит от микрорельефа биоматериалов. Так, на керамике, металлах, пиролитическом углероде, с плотной жесткой поверхностью, процесс минерализации практически не происходит (Thull, 1982). Розанова и Васин выделяют следующие группы факторов, определяющих кальцификацию биоматериалов, которые мы приводим с некоторыми модификациями. 

Необходимые:

Гуморальные:

• протеины, в том числе содержащие γ-карбоксилглутаминовую кислоту, фосфопротеины;
• липиды, фосфолипиды, жирные кислоты;
• локальный уровень кальция и фосфора;
• локальное изменение активности специфических ферментов, рН, ионной силы и т.д.;
• состояние свертывающей системы крови.

Регулирующие:

Клеточные:

• повреждение и(или) состояние эндотелия;
• адгезия тромбоцитов;
• скопление эритроцитов;
• гибель клеток крови.

Внешние:

• механическая нагрузка;
• физико-химические свойства материалов, дефекты;
• химический состав и структура биоматериалов;
• гидродинамика потока, сдвиговое напряжение;
• локальное изменение температуры, поверхностного заряда.

Кроме того, различают два типа патологической кальцификации. Один, получивший название «метастатический», возникает при нарушениях кальциевого обмена, перегрузке организма кальцием. Второй - «дистрофический», протекает без нарушений системного кальциевого обмена, в тканях, находящихся в состоянии повреждения или некроза (Меерзон, 1968; Миронов, 1997).

Последний тип наиболее часто имеет место при имплантации биоматериалов в ортопедической практике. Повреждение, воспаление и некроз тканей приводят к локальному повышению концентрации кальция и фосфора, которые выходят из поврежденных клеток. Высвобождающийся при этом трикальцийфосфат является строительным субстратом для эндогенного образования кристаллов гидроксиапатита (ГА) (Корж, 1963; Миронов и др., 1997; Nose et al., 1981; Schoen et al., 1988).

Предполагается, что в этом механизме также могут принимать участие кальций-фосфолипид-фосфатные комплексы, которые образуются с участием кислой фосфатазы других фосфолипидов из окружающих тканей. Эти комплексы могут стать центрами нуклеации гидроксиапатита из метастабильных растворов фосфата кальция, образующихся вокруг имплантируемых устройств (Леонтьев, Вершинина, 1981; Jorge-Herrero et al., 1991). Следует подчеркнуть, что мы коснулись только эндогенных механизмов кальцификации, в которых биоматериалу отводится пассивная роль. При этом сами имплантаты могут выступать в качестве индуктора процесса формирования гидроксиапатитового слоя на границе фаз материал/телесная жидкость.

Следует учесть, что процессу кальцификации противостоит система ингибиторов, повреждение которой вызывает переход кальций-фосфатов из метастабильного состояния в осадок, с последующей кристаллизацией вокруг зародышевых центров. Многие тонкие механизмы ее функционирования пока еще изучены недостаточно хорошо. Тем не менее, в данной системе можно выделить несколько уровней, реализующихся на уровне плазмы крови и тканевых жидкостей, экстрацеллюлярного матрикса и внутриклеточных компонентов. Рассмотрим более подробно функцию пирофосфата. Концентрация пирофосфата в плазме крови составляет 1 — 6х10⁶ М. Неорганический фосфат подавляет преципитацию кальций-фосфатов из растворов, супрессирует переход аморфных фосфатов в ГА, ингибирует агрегацию гидроксиапатита в большие гроздья. Пирофосфат гидролизуется щелочной фосфатазой (Меерзон, 1968; Вельтищев и др., 1983; Архипова и др., 1984).

Тканевыми ингибиторами преципитации кальций-фосфатов являются протеогликаны, которые играют роль своеобразной катионообменной системы. Повреждение протеогликанов, сопровождающееся конформацией структуры или денатурацией, приводит к переходу кальциофосфатов из метастабильного состояния в осадок вокруг центров кристаллизации (Барбараш и др., 1995; Севастьянов, 1999; Jorge-Herrero et al., 1991).

Остеокальцин, через γ-карбоксиглютаминовую кислоту (γ-КГК), связывает гидроксиапатит, что препятствует росту кристаллов ГА. Возможно, что другие белки, содержащие γ-КГК, например II, VII, IX, Х-факторы, принимают участие в связывании кальций-фосфатов. Следует подчеркнуть, что этот процесс зависит от витамина К (Levy et al., 1980, 1983, 1986; Lian et al., 1981).

Механическая нагрузка играет значительную роль в локализации отложений кальция независимо от типа биоматериала. Предполагается, что это обусловлено изменением энергетических характеристик поверхности при динамических нагрузках, с появлением областей с повышенной внутренней энергией, со смещением ее уровней внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Возникают так называемые «ловушки» для клеток или макрокомплексов, содержащих кальций, что стимулирует в последующем процесс кальцификации (Розанова, Васин, 1999).

Еще один предполагаемый механизм кальцификации связывают с пьезоэлектрической природой коллагена, который при механических нагрузках трансформирует электрическую энергию в электростатическую и электрохимическую, что может вызывать аккумуляцию кальция (Li, Katz, 1976; Lian et al., 1981).

Кроме того, внутриклеточным регулятором процесса кальцификации является фосфоцитрат, который разрушается лизосомальными гидролазами. В эксперименте было показано, что данное вещество способно эффективно блокировать патологическую минерализацию (Shankar et al., 1984).


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