В России создали импланты, срастающиеся с натуральной костью

Череп, который отделился от позвоночника

История, которую врачи окрестили чудом, произошла с 30-летней Шеннон Мэллой в 2007 году. Она попала в страшную автомобильную аварию: женщину выбросило вперёд на приборную панель, от сильного удара о которую её череп отделился от позвоночника. Мышцы, связки и спинной мозг при этом практически не пострадали. Это редкое состояние врачи называют внутренней декапитацией – буквально «отделением головы», когда основание черепа выходит из суставного блока шейного позвонка. В случае Шеннон сустав, вывихнувшись, нанёс повреждения верхнему позвонку и разрушил его основание, из-за чего вправить его обратно стало невозможно.

«Это чудо, что Шеннон смогла выжить в этой аварии. И это чудо, что она проделала такой огромный прогресс в восстановлении. Шесть шурупов были вкручены в её шею, ещё четыре в череп. Затем мы закрепили на этих шурупах титановую пластину, чтобы она держала голову. Это болезненная процедура. Нам пришлось использовать пересадку костной массы, которая обеспечила приживаемость и восстановление структур шеи», – рассказал доктор Гэри Гизелли из Денверского центра лечения позвоночника.

Шеннон вспоминает: «У меня были множественные переломы костей черепа, отёк и сильное кровотечение в мозгу. Я не могла глотать из-за повреждения нервов и была вынуждена питаться через желудочный зонд. Также были повреждены глазные нервы, что привело к частичному окосению. Позже врачи сказали мне, что лишь пятая попытка монтирования черепа стала успешной: все предыдущие разы он выскакивал из сустава позвонка».

Женщине тяжело даётся общение, она произносит короткие фразы между вдохами воздуха. «Я бы хотела полностью восстановиться и знаю, что шансы невелики, но я буду делать всё, что от меня зависит», – уверенно добавляет Шеннон.

Ежегодно в мире в ДТП погибают более 1,35 млн человек. Ещё больше получают серьёзные травмы. Качественные импланты для них – единственная надежда на безболезненное будущее.

Фото: pixabay.com

Деревянные пальцы и пиратские крюки

Протезы использовали ещё за несколько тысячелетий до нашей эры. Первое упоминание о них встречается в собрании первых религиозных текстов – «Ригведе», которое сообщает, что воительница потеряла ногу в бою, и для неё был изготовлен железный протез. Из прошлого остались и другие артефакты, например, у мумии Нового Царства археологи обнаружили деревянный палец. Самые известные из ранних протезов многим знакомы из книг и фильмов – это пиратские крюки, вставные глаза и деревянные ноги.

Долгое время протезирование не развивалось. Только с появлением механики инженеры начали создавать более совершенные замены потерянным частям тела –  теперь они не только имитировали конечность, но и двигались за счёт встроенных механизмов. Протезы внутренних органов появились ещё позднее – в век электроники.

В современной медицине, помимо протезов конечностей, распространены процедуры протезирования суставов, зубов и целых костей. Некоторые импланты с микрочипами, вживляемые в мозг, способны заменить даже отсутствующие или повреждённые органы чувств.

Удачный эксперимент, который провалился

Эра современных имплантов берёт начало в 1940-х годах, когда начались первые опыты по вживлению в мягкие ткани животных небольших цилиндров титана. Целью экспериментов было изучение реакции организма на посторонний материал. Позднее титан в своих исследованиях применил профессор Пер-Ингвар Бранемарк.

Как многие великие достижения, открытие феномена остеоинтеграции – одного из видов интеграции импланта в костную ткань – было случайным. В 1952 году Бранемарк работал над докторской диссертацией о кровоснабжении кости и костного мозга. Он изучал заживление ран у кроликов с помощью маленькой оптической камеры, корпус которой был сделан из титана. Профессор установил камеру в кость животного для исследования её кровоснабжения. Когда пришло время удалить устройство, учёный обнаружил, что не может этого сделать: кость срослась с поверхностью металла.

Сначала Бранемарк подумал, что эксперимент провалился. Однако затем осознал, что сделал открытие. Профессор провёл несколько опытов и выяснил, что титан может интегрироваться и стать частью кости. Именно работа Бранемарка популяризировала идею применения титана в индивидуальном протезировании, и к концу 70-х годов металл стали использовать для операций на костях.

Сегодня у титана практически нет конкурентов, его применение в хирургии не вызывает сомнений у врачей. Но у этого материала есть существенной недостаток: вживлённый в организм титан – это всегда статичный и посторонний элемент, из-за которого пациент зачастую обречён на пожизненный дискомфорт.

Фото: Евгений Папынов / Институт химии Дальневосточного отделения РАН

Гибкие импланты и конец страданиям

Учёным из Владивостока удалось достичь успеха в этом вопросе. Они разработали методику, благодаря которой можно создавать керамические импланты из биоактивных материалов, которые стимулируют рост кости в организме. Она поможет избежать использования несгибаемого каркаса. Например, рёбра, сломанные в ДТП, не будут заменены на титановую пластину и стержни, а будут восстановлены идентично природным. Инородные тела перестанут быть проблемой для пострадавших.

В основе нового материала два ингредиента – порошки синтетического силиката кальция и керамика. По отдельности их уже используются в хирургии. Порошки применяют для устранения мелких челюстно-лицевых дефектов, при наращивании костной ткани и зубном протезировании. Керамика способна выдерживать нагрузки при замене целой кости или сустава.

«Обычный протез из силиката кальция, который будет инертен в организме, получить довольно просто. А для того, чтобы сделать его биологически активным, надо применять специальные технологии», – рассказал руководитель проекта Евгений Папынов, заведующий лабораторией композиционных и керамических функциональных материалов Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Читайте также:

Мурманские учёные нашли способ добычи желатина из отходов северных рыб

Преимущество созданного материала, представляющего наноструктурированный силикат кальция (волластонит), в том, что он положительно влияет на метаболизм и обладает необходимой структурой и прочностью. Добавки наночастиц благородных металлов – золота и серебра – придают имплантам антибактериальные и противовоспалительные свойства.

Для производства материала учёные из Института химии ДВО РАН, Дальневосточного Федерального университета, Тихоокеанского государственного медицинского университета и Тихоокеанского института биоорганической химии имени Георгия Елякова разработали оригинальную технологию искрового плазменного спекания – синтеза керамики из полученных ранее порошков силиката кальция с разными биоактивными добавками.

«Из сырья мы получаем биологически активный наноструктурированный порошок с заданным составом. И при необходимости превращаем его в плотную керамику нужного размера и профиля», – поясняет Папынов. Первыми, на ком опробовали новые протезы, были мыши. Опыты показали, что новый материал не токсичный и не вызывает воспаления.

Материал доказал свою высокую биологическую совместимость – его можно использовать для протезирования пациентов любого возраста. Новая разработка в ближайшем будущем позволит наладить производство недорогих российских биоматериалов для костной хирургии.