Отсутствие частей органов может возникать в результате различных травм или заболеваний, а также в результате хирургического вмешательства с удалением поврежденных тканей, например, при онкологических заболеваниях.

Конкретных причин возникновения значительных тканевых дефектов много, но результат всегда один. Это неспособность справиться с повреждением естественными механизмами регенерации и необходимость в компенсации приобретенного дефекта за счет имплантации материала, способного компенсировать такие нарушения целостности организма.

Логично, что такой материал должен быть не просто протезом, но и позволять в конечном итоге полноценно восстановить объем и функцию поврежденного участка организма, то есть он должен быть регенерирующим биосовместимым имплантатом.

На сегодняшний день наиболее изученными и часто применяемыми в стоматологии, травматологии и ортопедии являются костные имплантаты в виде различных остеопластических материалов. Это обусловлено востребованностью костной пластики при хирургических операциях на скелете, особенно в стоматологии, и высокими регенеративными свойствами кости.

По мере старения населения планеты заболевания костно-суставного аппарата и его травматические повреждения вышли на четвертое место по значимости среди неинфекционных заболеваний, уступая лишь сердечно-сосудистым, онкологическим заболеваниям и сахарному диабету.

В связи с увеличением значимости данной проблемы, увеличилась и потребность в остеопластическом материале для замещения различных дефектов.

Всемирная организация здравоохранения объявила первую декаду XXI века десятилетием костей и суставов. За эти годы накоплено значительное количество научных сведений о свойствах биосовместимых имплантатов и разработаны новые технологии для остеопластики.

Понятие имплантатов: биологические и медицинские требования

Поскольку до сих пор в специализированной литературе существуют различия в понимании терминов «трансплантат» и «имплантат», есть необходимость объяснить эти понятия.

В английском языке термины «graft» и «allograft» дают более широкое определение материалов, которые используются в пластической хирургии, и могут быть как биологического происхождения, так и состоять из неорганических компонентов.

В русском языке термин «трансплантат» означает любой орган, ткань или часть тела, которая используется для пересадки с целью замены поврежденной части тела. Термином «трансплантат» может называться только живая ткань с сохраненными органными или клеточными структурами.

С другой стороны, русское слово «имплантат» - это неживой эндопротез, который вводится в организм, и не содержит живых биологических компонентов. Для изготовления имплантатов могут использоваться материалы как небиологического (металлы, керамика), так и биологического (ткани животных, хитин, кораллы) происхождения.

При этом биологические материалы должны быть девитализированными, то есть обработанными таким образом, чтобы удалить биологические (живые) компоненты, а именно клетки и их остатки, антигенные (иммуногенные) агенты.

Биосовместимым называется имплантат, который является нетоксичным при длительном нахождении в теле реципиента. Биосовместимые имплантаты классифицируют на аутогенные, аллогенные, ксеногенные и синтетические, а также различные их комбинации и композиции.

Дадим краткие определения этим основным видам имплантатов:

• Аутогенные (собственные) имплантаты – это биологические материалы, взятые, модифицированные (обработанные или девитализированные) и пересаженные в пределах организма одного и того же пациента.

• Аллогенные имплантаты – это биологические материалы, взятые от донора того же биологического вида, и прошедшие технологический цикл обработки (переработки) в готовый к использованию имплантационной материал.

• Ксеногенные имплантаты — материалы, в качестве донора которых использована особь другого, отличного от реципиента, биологического вида с обязательным прохождением технологического цикла обработки или переработки, удалением антигенных (иммуногенных) комплексов.

• Синтетические (аллопластические) имплантаты – это искусственные материалы, синтезированные химическим путем из того или иного сырья.

• Биологические композиты (биокомпозиты) – это биосовместимые имплантационные конструкции, состоящие из биологических и синтетических материалов, объединенных адекватно для выполнения необходимой функции в организме.

Большинство авторов выделяют следующие требования к идеальному имплантату:

• Биосовместимость — комплексное свойство имплантата интегрироваться в живые ткани, при этом не вызывая патологические процессы в них; это свойство включает в себя такие аспекты, как нетоксичность, стерильность, апирогеннисть и неиммуногенность.

• Способность к биорезорбции, то есть свойство материала сначала выполнять функцию структурного каркаса (скаффолда), а затем постепенно перестраиваться в собственную органотипическую ткань пациента.

• Сходство химического состава и архитектоники (микроструктуры) имплантата со свойствами участка предполагаемой имплантации.

• Способность замещаться органотипической тканью на участке дефекта.

• Пластичность и способность к моделированию, удобство в изготовлении и применении.

• Кондуктивность за счет пористости или сетчатости, то есть способность обеспечивать миграцию внутрь имплантата клеток реципиента (Denner и соавторы экспериментально определили, что размер пор остеопластических материалов, обладающих остеокондуктивних свойствами, должен быть не менее 100 мкм).

• Индуктивность — способность индуцировать дифференцировку собственных (мигрировавших за счет хемотаксиса) или внесенных стволовых клеток в скаффолды, замещающие ткани; это может достигаться как за счет насыщения химическими индукторами (дексаметазон, ретиноевая кислота) или биологическими индуцирующими агентами (например, клетки надкостницы как биологический индуктор дифференциации клеток в остеогенном направлении).

• Способность имплантата выполнять функцию скаффолда для стволовых клеток и других биологических агентов, то есть обеспечивать форму, быть каркасом и носителем для клеток, которые впоследствии строят органотипические ткани в участке повреждения.

Современные костные имплантаты как пример биосовместимых имплантатов для стоматологии и травматологии

На сегодняшний день наиболее изученными являются остеопластические материалы, которые способны к ремоделированию, то есть к перестройке, формируя de novo на месте имплантации собственную костную ткань реципиента.

Вообще, костная ткань участвует не только в обеспечении движения, защиты и поддержки других органов, но также играет ключевую роль в борьбе с критическими физиологическими функциями человека, такими как запасание минеральных веществ, образование кровяных клеток, поддержание гомеостаза и регуляция рН крови.

Костная ткань состоит из нескольких элементов, среди которых можно выделить клетки остеобласты, остеоциты и остеокласты.

Первые два отвечают за формирование костной ткани, в то время как последние отвечает за реабсорбцию существующей костной ткани с целью ремоделирования, и гарантируют баланс ионов, вовлеченных в неоформацию кости в организме.

То есть остеокласты фагоцитируют кость, а остеобласты строят новую. Когда эти диаметрально противоположные эффекты объединяются в целостный процесс, можно сказать, что кость состоит из динамически меняющейся ткани, которая может поддерживать постоянный цикл ремоделирования-регенерации.

Эти два процесса должны быть синхронизированы, чтобы обеспечить равномерную замену имплантата собственной костью, то есть полноценную регенерацию костной ткани.

Собственная же способность костной ткани к регенерации в значительной степени является ограниченной и длительной по времени. Именно для поддержания многолетнего процесса ремоделирования применяются костные имплантационные материалы животного происхождения — ксеноимплантаты.

Сырьем для ксеноимплантатов служат преимущественно ткани молодого крупного рогатого скота или свиней, иногда лошадей. Доступность животных тканей стимулировала использование ксенокости как альтернативы ауто- и аллокости, поскольку потребность в остеопластическом материале в стоматологии, ортопедии и травматологии стремительно растет.

Забор и дальнейшая работа с материалом осуществляется под ветеринарным контролем с соблюдением всех правил работы с медицинскими биологическими материалами.

Основной проблемой при использовании ксеноимплантатов является сложность, а часто и невозможность создания полного анатомического соответствия.

Данная проблема находит свое решение в 3D-биопринтинге. Этот термин относится к методу, который используется для создания 3D-объекта с помощью компьютерной модели рендеринга.

Это технология быстрого прототипирования, которая считается революционной для отечественной практики. В отличие от субтрактивных технологий производства, основанных на удалении лишнего материала для получения необходимого объекта, 3D-печать является технологией дополнительного производства.

В зависимости от метода переработки костного материала в биосовместимый имплантат, выделяют три процедуры, дающие три разных по свойству и применению результата:

• Девитализация — процесс удаления живой составляющей материала, то есть любых клеток и их остатков, а также антигенных и пирогенных комплексов. При девитализации сохраняется максимально приближенная к нативной микроструктура (архитектоника) матрикса ткани и в небольшой степени меняется соотношение органических и минеральных компонентов.

• Депротеинизация — процесс полного удаления белковой части, а также липидов и нуклеиновых кислот, которые разрушаются в том же диапазоне воздействия, в результате очень жесткого физического или химического процессе; чаще всего используется высокая температура от 500°С до 1500°С.

• Деминерализация — это технологический процесс удаления минеральной составляющей материала (как частично, так и до 98%) после процесса девитализации.

Девитализированные ткани теоретически можно считать идеальными имплантатами: для них характерно отсутствие (или значительное снижение) вероятности отторжения и при этом полное (или почти полное) сохранение нативной архитектоники.

На практике же мы сталкиваемся с множеством проблем, которые довольно обоснованно указывают критики такого подхода создания имплантатов: чаще акцентируется внимание на повышенной вероятности передачи инфекций, особенно вирусных и прионных).

Все это требует строгого контроля качества на всех этапах изготовления имплантационных материалов для стоматологической практики, травматологии и других областей медицины.

Депротеинизованый тканевый матрикс отличается значительно меньшими антигенными (иммуногенными) свойствами, а также несет меньший инфекционный риск.

Однако крайне сложно в процессе фазовых переходов сохранить стереохимические молекулярные свойства, которые напоминали бы нативный матрикс кости.

Естественно, все эти факторы будут влиять на биосовместимость и дальнейшую (после имплантации) репаративную регенерацию.

Деминерализованной костный матрикс (ДКМ) впервые использовался Senn и соавторами еще в 1889 году в качестве этапа подготовки костей скелета к трансплантации. Но наиболее убедительно в экспериментальных исследованиях остеоиндуктивный эффект деминерализованной костной ткани был показан гораздо позднее под руководством Urist.

В 70-х годах прошлого века, было продемонстрировано, что недеминерализованная кость обеспечивает лишь незначительный остеоиндуктивный эффект, в то время как применение деминерализованной кости повышает формирования новой ткани до 90%.

В экспериментальном исследовании на мышах Boyan и соавторами было показано, что ДКМ индуцирует так называемые энхондральные костные образования, что обеспечивает эффект остеоиндуктивности и ускоренного процесса костной регенерации.

Показано, что в деминерализованном костном матриксе сохраняются костные морфогенетические белки (КМБ, BMP — bone morphogenetic protein), которые, собственно, обеспечивают остеоиндуктивные влияния на цитокиновые механизмы.

Доказательством остеоиндуктивности КМБ служит появление после эктопической имплантации ДКМ энхондральной остеоиндукции, чего не наблюдается при имплантации других материалов.

Согласно современным представлениям, комплекс КМБ влияет на дифференцировку плюрипотентных стволовых клеток в хондроциты и остеобласты, ускоряет созревание и кальцификацию костного матрикса.

Некоторые морфогенетические протеины (BMP-2, BMP-3, BMP-4, BMP-6, BMP-7) определяют путь дифференцировки плюрипотентных мезинхимальных клеточных линий в остеобластические.

Наряду с костными морфогенетическими белками костная ткань содержит:

• Трансформирующий β-фактор роста (TGF-β)

• Эпидермальный фактор роста (PDGF)

• Инсулиноподобные факторы роста I и II (IGF I, IGF II)

• Основный и кислотный факторы роста фибробластов (bFGF, aFGF).

Деминерализованный костный матрикс имеет значительную пористость, что способствует прорастанию первичных сосудов.

Еще в 1970-х годах были получены данные о влиянии коллагенового имплантата на восстановление костной ткани. При этом было установлено, что коллагеновый имплантат способствует пролиферации фибробластов и васкуляризации, индуцирует формирование полноценной костной ткани и ее перестройку (ремоделирование).

В процессе изучения остеоиндуктивные свойства деминерализованной кости и тканей из разных частей тела животных и человека была обнаружена их существенная разница. Результаты опытов показали, что диафизы костей (бедра, плеча, голени), дентин и плацента демонстрируют наиболее высокую остеоиндукцию.

Все другие мягкие ткани, кости черепа, таза или лопатки, хрящи (за исключением реберного хряща) имеют низкие остеоиндуктивные свойства или вообще их не имеют.