CC BY
526
Статья поступила в редакцию 18.10.2016 г.
БИОДЕГРАДИРУЕМЫЕ ИМПЛАНТЫ В ОРТОПЕДИИ И ТРАВМАТОЛОГИИ. НАШ ПЕРВЫЙ ОПЫТ
BIODEGRADABLE IMPLANTS IN ORTHOPEDICS AND TRAUMATOLOGY. OUR FIRST EXPERIENCE
Агаджанян В.В. Пронских А.А. Демина В.А. Гомзяк В.И. Седуш Н.Г. Чвалун С.Н.
Государственное автономное учреждение здравоохранения Кемеровской области «Областной клинический центр охраны здоровья шахтеров», г. Ленинск-Кузнецкий, Россия,
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», г. Москва, Россия
Agadzhanyan V.V. Pronskikh A.A. Demina V.A. Gomzyak V.I. Sedush N.G. Chvalun S.N.
Regional Clinical Center of Miners' Health Protection,
Leninsk-Kuznetsky, Russia
National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow, Russia
В статье проведен обзор различных биодеградируемых полимеров, их характеристик и применений в биомедицине. Сформулированы требования к биодеградируемым крепежным изделиям, проанализирована практика их использования в различных областях скелета. Приведены результаты исследования физико-химических характеристик биодеградируемых фиксаторов и первые результаты их практического применения. Цель - провести анализ преимуществ и недостатков крепежных изделий для остеосинтеза на основе биодеградируемых полимеров и выявить наиболее подходящие области их использования; проанализировать первые результаты применения биодеградируемых конструкций и сформулировать перспективные подходы для улучшения их свойств. Материалы и методы. Физико-химические характеристики биоде-градируемого материала исследовали методами ядерного магнитного резонанса, гель-проникающей хроматографии и дифференциальной сканирующей калориметрии. Оценка эффективности использования биодеградируемых конструкции проведена путем анализа результатов 24 операций, проведенных в 2015 г.
Выводы. Биодеградируемые крепежные изделия для травматологии и ортопедии не требуют проведения повторной операции для их извлечения, они биосовместимы и не вызывают адаптивной перестройки кости, сопровождающейся ее ослаблением. Однако по своим физико-механическим характеристикам биодеградируемые полимерные материалы уступают металлам, что ограничивает область применения фиксирующих изделий на их основе. Для полноценной замены металлических конструкций на разлагаемые необходимо разработать материалы и изделия с улучшенными характеристиками. Перспективным подходом представляется введение биоактивных и усиливающих компонентов в материал, что позволит ускорить восстановление перелома и повысить прочность изделий.
Ключевые слова: биодеградируемые полимеры; структура и свойства полимеров; остеосинтез; травматология и ортопедия.
The article presents the review of various biodegradable polymers, their features and medical use. The requirements for biodegradable fixing devices have been stated, and the practical use in various skeletal regions has been analyzed. The result of the examination of the physical and chemical properties of biodegradable fixators and the first results of practical administration are given.
Objective - to perform the analysis of advantages and disadvantages of fixation devices based on biodegradable polymers and to identify the most appropriate regions for using; to analyze the first results of use of biodegradable constructs and to develop some perspective approaches to improvement in their features.
Materials and methods. The physical and chemical features of the biodegradable material were investigated with the methods of nuclear magnetic resonance, gel-permeation chromatography and differential scanning calorimetry. The efficiency of use of a biodegradable device was realized by means of the analysis of the results of 24 operations conducted in 2015.
Conclusion. Biodegradable fixing devices for traumatology and orthopedics do not require recurrent surgery for their extraction. They are biocompatible and do not cause adaptive bone remodeling accompanied by bone weakness. But as compared with metals, biodegradable polymer materials are characterized by worse physical and mechanical properties with limitation of the applicability of such fixing devices. For fully-featured transition from metal constructs to biodegradable ones it is necessary to develop some materials and products with improved features. A perspective approach is introduction of bioactive and strengthening components into the material that can promote recovery of a fracture and increase the strength of products.
Key words: biodegradable polymers; structure and features of polymers; osteosynthesis; traumatology and orthopedics.
Развитие травматологии и ортопедии в последние тридцать лет позволило значительно улучшить результаты лечения повреждений опорно-двигательной системы во
многом благодаря разработке используемых методов остеосинтеза и оперативной фиксации. В этот период проводились фундаментальные исследования, направленные
85
на изучение биомеханики переломов, исследование прочностных свойств имплантатов, разработку технологии оперативных вмешательств. Материалы, имплантиро-
№ 4 [декабрь] 2016
ванные для поддержания механических свойств сломанных костей в период заживления, должны, по определению, иметь достаточную прочность, износоустойчивость и сопротивление усталости. Они также должны быть безопасными и простыми в использовании. В настоящее время «золотым стандартом» является использование титановых фиксаторов, которые наряду с прочностью являются еще и инертными по отношению к тканям пациента.
Однако, как и все остальные им-плантаты, титановые фиксаторы не лишены недостатков. К ним, прежде всего, относятся:
- возможность развития эндогенной инфекции;
- возможность адаптивной перестройки кости (stress shielding), что может приводить к резорбции кости и снижению ее прочности;
- боль, местное раздражение.
Эти факторы приводят к тому, что со временем используемые фиксаторы должны удаляться. Это неизбежно влечет новую операционную травму со всеми вытекающими из этого рисками. Логично, что интерес травматологов проявился к материалам, которые со временем могли бы рассасываться в организме. Так стали применяться биодеградируемые материалы.
В литературе встречается множество похожих взаимозаменяемых терминов, характеризующих способность материала к деградации: биоразлагаемый, биоабсорбиру-емый, биорезорбируемый, биоэ-родируемый. При этом значение приставки био- и терминов как таковых трактуется по-разному [1]. Например, под биоразложением можно понимать деградацию материала, вызванную ферментами, бактериями, микроорганизмами и пр. Однако нами в данном обзоре под термином биоразложение (биодеградация) подразумевается деградация материала в физиологических (био) условиях независимо от ее механизма. Он может быть гидролитическим, ферментативным, окислительным и др. Деградация может происходить по всему объему материала или только на его поверхности, это определяется соотношением скорости дегра-
дации и скорости диффузии воды в объем материала [2]. Идеальный биодеградируемый материал для изготовления фиксаторов должен обладать высокой прочностью, а скорость его деградации (снижения прочности) должна быть близка к скорости восстановления прочности костной ткани. Однако биораз-лагаемые материалы должны отвечать не только этому требованию, но также множеству других:
- они не должны быть токсичными или вызывать негативную реакцию на окружающие ткани;
- они должны обладать необходимыми механическими характеристиками (прочность, пластичность);
- рентгенконтрастность;
- возможность проведения стерилизации без потери необходимых свойств и т.д.
В качестве подобных материалов в настоящее время используются сплавы различных металлов с магнием, фосфаты кальция, а также различные природные и синтетические полимеры. Наиболее широкое распространение в медицине благодаря доступности и универсальности получили полимеры синтетического и природного происхождения [3]. Синтетические полимеры обладают такими преимуществами, как контролируемая молекулярная структура и сроки биодеградации, а также отсутствие аллергических реакций при их имплантации. Наибольшую популярность завоевали полиэфиры, т.е. поли (а-гидрокси-кислоты) и прежде всего сополимеры на основе лактида и гликолида [4]. Большинство используемых в настоящее время имплантатов для остеосинтеза изготовлены именно из этих полимеров [5]. Применение биоразлагаемых полимеров на основе лактида и гликолида в клинической практике началось с полиг-ликолидных хирургических нитей [6]. С тех пор разработан широкий спектр материалов и систем медицинского назначения: нетканые материалы, губки, скаффолды, пленки, фиксаторы, системы контролируемой доставки лекарств и много другое [7, 8]. В связи с обострившейся экологической обстановкой перспективной областью применения полилактида является
изготовление биоразлагаемой тары, упаковки, одноразовой посуды и т.п. [9].
Полигликолид (PGA) — это твердый кристаллический полимер с температурой плавления 224-230°C. Полимолочная кислота (полилак-тид, PLA) — это полимер с температурой плавления около 160-180°C и температурой стеклования 50-60°С. В ортопедических имплантатах более широко используется поли (L-молочная кислота) PLLA, т.к. этот материал сохраняет свою первоначальную прочность дольше, чем поли (D^-молочная кислота) PDLA, сочетающая в себе оба энантиомера [10]. PGA относится к категории быстро деградируемых полимеров. Винты из PGA, имплантируемые внутрикостно, показали, что рассасываются полностью за 6 месяцев [11]. У PLLA, с другой стороны, более длительный период деградации, и, как оказалось, остаточные фрагменты этого материала сохраняются в тканях на протяжении до 5 лет после имплантации [12]. PLLA производят методом полимеризации лактида — циклического эфира молочной кислоты. Для синтеза PLLA с контролируемыми характеристиками и сроками деградации необходимо использовать оптически чистый L-лактид и проводить полимеризацию при оптимальных условиях [13].
Какие же основные характеристики полимеров необходимо учитывать для оценки их качества? Прежде всего, это кинетика деградации, физико-механические характеристики и биосовместимость.
Деградация обусловлена химической реакцией полимерной цепи, приводящей к изменениям в ее молекулярной структуре и, прежде всего, молекулярной массе, что сопровождается изменением механических характеристик изделия и его формы. Деградация поли (а-гидроксикислот) может проходить по гидролитическому или ферментативному механизму. На первом этапе полимерная цепь подвергается гидролизу, в результате чего снижается молекулярная масса материала. На втором этапе олигомерные цепи и низкомолекулярные продукты деградации пе-
Ж Е Т
рерабатываются ферментами и микроорганизмами [14]. Кинетикой деградации можно управлять путем регулирования состава и надмолекулярной структуры материала. Основными характеристиками, влияющими на процесс деградации, являются:
- Химическая структура полимера
Химическая структура полимера существенно влияет на его чувствительность к гидролизу. Полигликолид не содержит в своей структуре гидрофобных метильных групп, поэтому гидролиз его цепи протекает быстрее, чем у полилак-тида. Меняя соотношение звеньев лак-тида и гликолида в сополимере, можно регулировать сроки биодеградации в широком диапазоне (от нескольких месяцев до нескольких лет).
- Молекулярная масса полимера
Изделия из полимеров с более
высокой молекулярной массой дольше сохраняют свои физико-механические характеристики. При этом, как показал в своей работе Wu с соавторами, абсолютное падение молекулярной массы на первых этапах деградации у высокомолекулярных полимеров происходит быстрее, чем у полимеров с меньшей массой [15]. Гидролиз сополимеров на основе лактида и гликолида
- реакция первого порядка, по крайней мере, на первых этапах процесса.
- Степень кристалличности
Кристалличность — мера упорядочения энергии взаимодействия и плотности материала. Доступ воды в более плотные кристаллические области материала затруднен, и деградация в них проходит значительно более медленно, чем в менее плотных аморфных областях. Поскольку первыми деградируют аморфные области, степень кристалличности материала по мере его разложения сначала растет и, только когда начинают деградировать кристаллические области, она падает [16].
Кинетика биодеградации зависит и от многих других факторов, таких как форма и толщина имплантата, температура, рН-среды, индивидуальный уровень ферментов в организме и др. [15] Можно было бы предположить, что более толстые массивные изделия деградируют быстрее тонких, однако это не всег-
да так. В ряде работ было показано, что при деградации полилактидных цилиндров из-за низкой скорости диффузии кислых продуктов деградации они накапливаются в глубине изделия, это вызывает снижение рН-среды и приводит к автокаталитическому ускорению процесса [2, 17]. В результате этого образуются полые цилиндры, то есть деградация внутри изделия идет быстрее, чем на его поверхности. Скорость биодеградации одного и того же изделия может различаться в разных пациентах. Ферменты, уровень которых индивидуален, выступают в роли «биологических катализаторов», ускоряющих гидролиз [18].
- Механические свойства
Физико-механические характеристики изделий на основе поли (а-гидроксикислот) определяются молекулярной и надмолекулярной структурой материала, также они во многом зависят от конструкции и метода получения имплантата. Наиболее высокой степенью кристалличности и модулем упругости обладает полигликолид (табл.). Однако этот материал больше не применяется для изготовления био-деградируемых фиксаторов из-за высокой скорости разложения и сложностей при его переработке, связанных с близкими значениями температуры плавления и деструкции. Полилактид и его сополимеры характеризуются более низким, чем у кости, модулем упругости, но соизмеримой прочностью.
Повысить физико-механические характеристики имплантатов можно различными путями: ориентацией [20], созданием армированного [21, 22] или композиционного материала [23, 24].
Важным фактором, влияющим на механические свойства изделий или материалов, является способ стерилизации. Полимеры более восприимчивы к действию стерилизующих агентов, чем металлы. Как правило, стерилизация приводит к снижению молекулярной массы и физико-механических характеристик полимерных материалов [25]. Стерилизация полимеров с помощью сухого тепла и автоклавирования не может быть проведена, так как действие
высокой температуры на полимерный материал приводит к его размягчению, изменению геометрии и термодеструкции. В качестве наиболее эффективных и «щадящих» способов стерилизации полимеров на основе лактида можно выделить стерилизацию этиленок-сидом, перекисью водорода, бета- и гамма-облучением [26].
БИОДЕГРАДИРУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ
Одним из разделов медицины, где биодеградируемые изделия применяются достаточно давно, является травматология и ортопедия [27]. Первые сообщения о клиническом применении имплантатов из PLA и PGA относятся к 60-м годам прошлого века [28, 29]. С тех пор развитие биодеградируемых имплантатов было направлено на достижение оптимальной скорости деградации, жесткости, прочности и пластичности. Также стали разрабатываться комплексные системы, включающие пластины, винты для проведения операций в определенной области скелета.
Преимущества биодеградируе-мых систем
Основным преимуществом био-разлагаемых фиксаторов перед металлическими является способность полного их рассасывания, что дает возможность избежать повторных операций, которые зачастую вызывают нежелательную дополнительную травму; особенно это касается около- и внутрисуставных повреждений.
Следующим важным моментом, выделяющим рассасывающие им-плантаты, является их рентгеннега-тивные характеристики. Во многих случаях только МРТ-визуализация позволяет оценить степень костной регенерации, а металлические фиксаторы делают невозможным применение этих исследований. Поэтому «рентгенпрозрачные» фиксаторы создают выход из подобных ситуаций.
Явление адаптивной перестройки кости в ответ на контакт с металлическими фиксаторами, известное как «stress shielding» очень часто приводит к резорбции кости и раз-
Таблица
Физико-механические характеристики и сроки биодеградации различных материалов для травматологии и ортопедии,
сравнение с костью [19] Table
The physical and mechanical features and terms of biodegradation of various materials for traumatology and orthopedics,
comparison with a bone [19]
Материал Material Модуль упругости, Гпа Modulus of elasticity, HPa Прочность, Мпа Strength, Mpa Деформация при разрыве, % Deformation during rupture,% Срок сохранения прочности, мес. Duration Strength retention, months Срок полной деградации, мес. Time of complete degradation, months
Кость / Bone 7-40 90-120
Металл и керамика I Metal and ceramics
Титановый сплав Titanium alloy 110-127 900 10-15 - -
Нержавеющая сталь Stainless steel 180-205 500-1000 10-40 - -
Магний Magnesium 41-45 65-100 - < 1 0.25
Гидроксиапатит Hydroxyapatite 80-110 500-1000 - > 12 > 24
Трикальцийфосфат Tricalcium phosphate - 154 - 1-6 < 24
Биоразлагаемые полимеры / Biodegradable polymers
Полигликолид Polyglycolide 7 340-920 15-20 1 6-12
Поли (-Д-лактид) Poly (L,L-lactide) 2.7 80-500 4-10 3 > 24
Поли ф^-лактид-со-гликолид) Poly (D,L-lactide-co-glycolide 2 40-550 3-10 1 1-12
Поликапролактон Polycaprolactone 0.4 20-40 300-500 > 6 > 24
Полиуретаны на основе поликапролактона и полиэтиленоксида Polyutheranes based on polycaprolactone and polyethylene oxide 0.001-0.01 1-50 > 500 1 - 6 6-24
витию околоимплантного остеопо-роза, снижающего качество кости. Особенно часто это происходит в тех случаях, когда имплантант нужен только на определенных этапах репаративного остеогенеза, а затем начинает играть негативную роль. Именно в этих случаях может быть эффективным применение рассасывающихся материалов для остеосинтеза. В отличие от металлов, физико-механические характеристики полимерных имплантатов соразмерны или уступают характеристикам кости. Поэтому адаптивная перестройка кости и развитие остеопороза при использовании полимерных биодеградируемых им-плантатов происходить не должны.
Современные сферы
использования
На современном этапе травматологии и ортопедии достаточно точно определены повреждения, где биодеградируемые системы эффективны и конкурентоспособны с классическими фиксаторами [27]. Биодеградируемые имплантаты подходят для стабилизации переломов, остеотомии, пересадки кости и сращениях, особенно для спонгиозных костей, равно как и для присоединений связок, сухожилий, менисковых разрывов, и для других структур мягких тканей. Если проанализировать современную литературу, посвященную биодеградируемым системам, то
можно расставить повреждения по частоте использования:
Коленный сустав
Хирургию коленного сустава можно разделить на две части — открытую и артроскопическую. Именно артроскопия коленного сустава является тем разделом, в котором чаще всего применяются рассасывающиеся импланты [11, 30]. На первом месте, пожалуй, находится использование интерферентных винтов для фиксации передней крестовидной связки. Современные методики пластики из собственных сухожилий или из алломатериалов дают лучшие результаты именно с интерферентными винтами, которые создают костную фиксацию в
каналах без развития воспалительных реакций в течение 12-36 месяцев [31, 32].
При трансхондральных переломах достаточно эффективно использование костных пинов, как при артроскопических операциях, так и при артротомии. Шов мениска при обширных его разрывах целесообразно выполнять нитями из викрила или его аналогов. Следует отметить, что именно нити из Викрила (сополимера гликолида с лактидом 90 : 10) стали первыми рассасывающимися материалами, которые стали широко применяться в хирургии начиная с 1962 года [33].
Плечевой сустав
Развитие артроскопических технологий плечевого сустава в последнее время значительно пересмотрели представления травматологов о характере повреждения вращательной манжеты плеча и повреждениях суставной губы по типу Банкарта. Эти повреждения все успешнее лечатся с помощью «якорей», которые позволяют фиксировать мягкотканные образования к кости. Использование биодегра-дируемых фиксаторов позволяет полностью сохранить скользящие свойства сухожилий и суставной губы [34, 35].
Хирургия стопы
Использование полимерных фиксаторов в хирургии стопы обусловлено ее анатомическим строением. С одной стороны, стопа состоит из мелких костей, сроки сращения которых гораздо меньше, чем длинных трубчатых (6-8 недель), а с другой, в стопе очень много суставов, длительная блокада которых может приводить к стойким контрактурам. Именно полигликолид и полилактид, наиболее распространенные сейчас биодеградируемые полимеры, могут сохранять свои прочностные характеристики в течение минимум 6-8 недель, необходимых для сращения переломов костей стопы с последующим рассасыванием. Эти свойства позволяют их использовать и при различного вида остеотомиях костей стопы, которые очень распространены в лечении плоскостопия и других деформаций стоп [36—38].
В настоящее время в арсенале травматологов имеются биодегра-дируемые имплантаты, применяемые для переломов мыщелков плеча, дистального отдела лучевой кости и локтевой кости, большого бугорка плечевой кости и других метафизарных областей. Эти фиксаторы, как правило, представляют собой винты либо пины. Существуют биодеградируемые сетки для реконструкции вертлужной впадины, однако применение их пока ограничено.
Детская травматология
Широкое применение полимеров в детской ортопедии и травматологии началось гораздо раньше, чем во взрослой. Бостман с соавт. показали, что самоусиленные рассасывающиеся стержни были успешно использованы для фиксации переломов в зоне роста кости у детей [39]. В 1991 г. было проведено сравнение эффективности использования самоусиленных рассасывающиеся стержней с металлическими фиксаторами при переломах плеча у детей [40]. Биодеградиру-емые винты оказались достаточно прочны для фиксации подтаран-ного артродеза у детей [41]. Более низкие требования к прочности фиксаторов у детей позволяют расширять показания для остеосинтеза других сегментов.
Недостатки
Основным недостатком, ограничивающим использование биоде-градируемых систем, является их низкая прочность в сравнении с металлическими фиксаторами. Именно это не позволяет применять массивные пластины и штифты, которые необходимы для стабильного функционального остеосинте-за длинных трубчатых костей.
Следующим относительным недостатком является высокая стоимость биодеградируемых систем. Придание этим фиксаторам необходимых свойств пока значительно увеличивает цену. Выходом из этой ситуации, вероятно, будет не только разработка новых технологий изготовления, но и увеличение их производства, что поможет снизить оптовые цены.
Перспективы
Говоря о перспективах использования полимеров в травматологии
и ортопедии, необходимо выделить два направления:
- разработка новых материалов с регулируемыми свойствами;
- придание новых свойств уже существующим материалам.
В первом случае перспективной представляется разработка композиционных материалов с различными неорганическими наполнителями [19, 23, 24]. Во втором случае интересны работы, позволяющие включать в изделия лекарственные вещества, например, антибиотики, которые могут в течение длительного времени выделяться в ткани, производя профилактику постим-плантационных воспалений [42].
Если сформулировать требования к «идеальному» импланту, то он должен быть достаточно прочным, иметь среднее время деградации около 6-7 месяцев, когда в большинстве случаев заканчиваются процессы костной регенерации, обладать свойствами остеоиндук-тивности для стимуляции репара-тивной регенерации, и быть достаточно дешевыми для того, чтобы широко использовать их в клинической травматологии и ортопедии.
ИССЛЕДОВАНИЕ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ
ПИНОВ
В операциях, проведенных в Областном клиническом центре охраны здоровья шахтеров, использовали биодеградируемые конструкции производства Bioгetec (Финляндия). Важными характеристиками полимера являются его химический состав и сроки биодеградации, они во многом определяют кинетику биодеградации. Для изучения этих характеристик использовали методы ядерного магнитного резонанса и гель-проникающей хроматографии. На рисунке 1 приведен ЯМР-спектр образца биодеградируемого пина. Мультиплет в области 5,0-5,3 м.д. соответствует протонам СН-групп L-лактида, а мультиплет в области 4,5-5,0 м.д. отвечает сигналу СН2-групп гликолида [43]. По интегральной интенсивности данных сигналов можно рассчитать химический состав образца, ко-
торый составил 86 моль% L-лак-тида и 14 моль% гликолида. Следует отметить, что никаких других сигналов, указывающих на наличие примесей в образце, об-
наружено не было. Сигнал с химическим сдвигом 7.24 м.д. соответствует хлороформу, в котором растворяли образец перед анализом.
Молекулярно-массовое распределение образца пина, полученное методом хроматографии, приведено на рисунке 2. Средневесовая молекулярная масса Мж, рассчитан-
Рисунок 1
ЯМР-спектр биодеградируемого пина на основе сополимера лактида с гликолидом. Содержание звеньев L-лактид/гликолид = 86/14 Figure 1
Nuclear magnetic resonance spectrum of a biodegradable pin on the basis of the copolymer lactide with glycolide. The level of links L-lactide/ glycolide = 86/14
Рисунок 2
Молекулярно-массовое распределение образца биоразлагаемого пина. Средневесовая молекулярная масса Mw = 364000 Да Figure 2
Molecular and mass distribution of the sample of a biodegradable pin. Weight-average molecular weight Mw = 364,000 Da
ная относительно полистирольных стандартов, оказалась достаточно высокой — 364000 Да. Индекс по-лидисперности (PDI), характеризующий ширину молекулярно-мас-сового распределения, составил 2,0.
Важно было определить, не происходит ли с материалом изменений при температуре 37°С. Для этого использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии в динамическом режиме. Термограммы первого и второго нагрева приведены на рисунке 3.
Из представленных термограмм следует, что температура стеклования, при которой происходит размягчение материала, значительно превышает температуру тела и составляет 60°С. Также можно заключить, что образец обладает аморфной структурой, но при нагревании при 100-140°С способен частично кристаллизоваться.
Таким образом, исследования материала, из которого изготовлен биоразлагаемый пин, показали, что по своему химическому составу он соответствует данным производителя и не содержит примесей. Высокая молекулярная масса образца обеспечит медленную деградацию изделия.
ПРАКТИЧЕСКИЙ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ В течение 2015 г. было проведено 24 операции с использованием биодеградируемых конструкций. В основном фиксировались фрагменты в области мелких суставов (стопы и кисти). Получены следующие данные:
- воспалительных явлений не зарегистрировано;
- сращение у 19 пациентов достигнуто в обычные сроки, у 4 продолжается консолидация;
- наступило вторичное смещение у пациента, которому фиксатор использован при вывихе крупного сегмента (вывих акромиального конца ключицы), что потребовало повторной операции с использованием стандартных фиксаторов;
- всем пациентам проводилась дополнительная внешняя иммобилизация для дополнительной фиксации, т.к. у оперирующих хирургов возникали сомнения в прочности фиксации;
- рентгенологические признаки наличия фиксатора присутствовали в течение 5 месяцев (у тех пациентов, где закончилось лечение);
- время проведения операции в среднем на 15 минут дольше, что
обусловлено тщательным выполнением рекомендаций по применению представленных систем. Таким образом, говорить о выводах преждевременно, но можно сказать о первых впечатлениях по применению биодеградируемых фиксаторов.
Используемые системы для фиксации значительно уступают по жесткости металлическим аналогам, что требует обязательного использования внешних фиксаторов, а это, в свою очередь, увеличивает сроки восстановления пациентов после операции. С другой стороны, сами фиксаторы через 5-6 месяцев рассасываются, что исключает дискомфорт, который часто возникает в зоне доступа, и исключают повторные операции по удалению фиксаторов.
Биодеградируемые крепежные изделия, несомненно, обладают преимуществами, однако необходимо решить проблему более низких механических характеристик по сравнению с металлическими аналогами. Перспективным направлением представляется разработка биодеградируемых конструкций нового поколения, обладающих улучшенными механическими характеристиками и биоактивными свойствами.
Рисунок 3
Термограммы первого и второго нагревания образца биоразлагаемого пина Figure 3
The thermographs of the first and second heating the sample of a biodegradable pin
eak= 158 87 "C
/ I re| = -6.694 mj
j eltfe H = -1.9689 J/g
A \ Y2 = 21 5B7 2 mW
Y1 =21 2970 mW
End = 62.14 ■te y: = 7 = 3.35 °c 3.2692 mW
Delta = 0 524 J/g-c/ Гд: Half Cp Extr apol ited = 59.70 °C
y1 = 18.6172 mW
8.916 20
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES:
1. Kohn J, Abramson S, Langer R. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine /ed. Ratner B. et al. Elsevier Academic Press, 2004. 116 p.
2. Burkersroda FVon, Schedl L, Gopferich A. Why degradable polymers undergo surface erosion or bulk erosion. Biomaterials. 2002; 23 (21): 4221-4231.
3. Ikada Y, Tsuji H. Biodegradable polyesters for medical and ecological applications. Macromol. Rapid Commun. 2000; 21(3): 117-132.
4. SodergSrd A, Stolt M. Properties of lactic acid based polymers and their correlation with composition. Prog. Polym. Sci. 2002; 27 (6): 1123-1163.
5. Middleton JC, Tipton AJ. Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices. Biomaterials. Elsevier. 2000; 21 (23): 2335-2346.
6. Herrmann JB, Kelly RJ, Higgins GA. Polyglycolic Acid Sutures. Arch. Surg. 1970; 100 (4): 486.
7. Sin L.T., Rahmat A.R., Rahman W.A.W.A. 2 - Overview of Poly(ac-tic Acid) In: Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics: Properties, Processing and Applications. Elsevier, 2013. P. 11-54.
8. Tyler B, Gullotti D, Mangraviti A, Utsuki T, Brem H. Polylactic Acid (PLA) Controlled Delivery Carriers for BioMedical Applications. Adv. Drug Deliv. Rev, 2016, Jul 15. URL: http://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S0169409X16302113
9. Bogdanova OI, Sedush NG, Ovchinnikova TN, Belousov SI, Polyakov
DK, Chvalun SN. Polylactide - a biodegradable biocompatible polymer based on plant raw material . Ecology and Industry of Russia. 2010; Special edition N 5: 18-23. Russian (Богданова О.И., Седуш Н.Г., Овчинникова Т.Н., Белоусов С.И., Поляков Д.К., Чвалун С.Н. Полилактид - биоразлагаемый биосовместимый полимер на основе растительного сырья //Экология и промышленность России. 2010. Спец. выпуск № 5. P. 18-23.)
10. MacDonald Rt, McCarthy SP, Gross RA. Enzymatic Degradability of Poly (lactide): Effects of Chain Stereochemistry and Material Crys-tallinity. Macromolecules. 1996; 29 (23): 7356-7361.
11. Bostman O, Paivarinta U, Partio E, Vasenius J, Manninen M, Rok-kanen P. Degradation and tissue replacement of an absorbable polyglycolide screw in the fixation of rabbit femoral osteotomies. J. Bone Joint Surg. Am. 1992; 74 (7): 1021-1031.
12. Jukkala-Partio K, Laitinen O, Vasenius J, Partio EK, Toivonen T, Ter-vahartiala P, Kinnunen J, Rokkanen P. Healing of subcapital femoral osteotomies fixed with self-reinforced poly-L-lactide screws: an experimental long-term study in sheep. Arch. Orthop. Trauma Surg. 2002. 122 (6): 360-364.
13. Sedush NG, Chvalun SN. Kinetics and thermodynamics of L-lactide polymerization studied by differential scanning calorimetry. Eur. Polym. J. 2015; 62: 198-203.
14. Farah S, Anderson DG, Langer R. Physical and Mechanical Properties of PLA, and their Functions in Widespread Applications - a Comprehensive Review. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016; Jun 26. URL: http:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169409X16302058
15. Wu X., Wang N. Synthesis, characterization, biodegradation, and drug delivery application of biodegradable lactic/glycolic acid polymers. Part II: biodegradation . J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2001; 32 (4): 575-591.
16. Belenkaya B.G., Sakharova V.I., Belousov S.I., Sinevich E.A., Chvalun S.N. The study of biodestruction of monofilament fibers on the basis of polyglycolide //Russian Chemical Journal. 1998. Vol. 42, No. 4. P. 70-74. Russian (Беленькая Б.Г., Сахарова В.И., Белоусов С.И., Синевич Е.А., Чвалун С.Н. Исследование биоде-
струкции монофиламентных нитей на основе полигликолида //Российский Химический Журнал. 1998. Т. 42, № 4. С. 70-74.)
17. Vert M, Li S, Garreau H. More about the degradation of LA/GA-de-rived matrices in aqueous media. J. Control. Release. 1991; 16 (12): 15-26.
18. Azevedo H, Reis R. Understanding the enzymatic degradation of biodegradable polymers and strategies to control their degradation rate. Biodegradable systems in tissue engineering and regenrative medicine. NY, 2005. P. 177-202.
19. Black J. Biological Performance of Materials: Fundamentals of Bio-compatibility. 2nd ed. New York: Marcel Dekker, 1992.
20. Grijpma DW, Altpeter H, Bevis MJ. Improvement of the mechanical properties of poly (D,L-lactide) by orientation. Polym. Int. 2002; 51 (10): 845-851.
21. Törmälä P. Biodegradable self-reinforced composite materials; Manufacturing structure and mechanical properties. Clin. Mater 1992; 10 (1-2): 29-34.
22. Daniels AU, Chang MK, Andriano KP. Mechanical properties of biodegradable polymers and composites proposed for internal fixation of bone. J Appl Biomater. 1990; 1(1): 57-78.
23. Furukawa T, Matsusue Y, Yasunaga T, Shikinami Y, Okuno M, Na-kamura T. Biodegradation behavior of ultra-high-strength hydroxy-apatite/poly (L-lactide) composite rods for internal fixation of bone fractures.Biomaterials. 2000; 21 (9): 889-898.
24. Liang J.Z., Liang JZ, Duan DR, Tang CY, Tsui CP, Chen DZ, Zhang SD. Mechanical Properties and Morphology of Poly(l-Lac-tic acid)/Nano-CaCO3 Composites. J. Polym. Environ. 2015; 23(1): 21-29.
25. Sterilisation of Biomaterials and Medical Devices. In: Rogers WJ. 7-Sterilisation techniques for polymers. Ed. By: Lerouge S, Simmons A. 2012. P. 151-211.
26. Savaris M, Santos V dos, Brandalise RN. Influence of different sterilization processes on the properties of commercial poly(lactic acid). Mater. Sci. Eng.: C. 2016; 69: 661-667.
27. Dhillon M, Lokesh A. Bioabsorbable implants in orthopaedics. Indian J. Orthop. 2006; 40 (4): 205.
28. Schmitt EE, Polistina RA. Polyglycolic acid prosthetic devices. U.S. Patent 3.463.158: pat. US3463158 USA. American Cyanamid. US, 1969.
29. Kulkarni RK, Pani KC, Neuman C, Leonard F. Polylactic Acid for Surgical Implants. Arch. Surg. 1966; 93 (5): 839-843.
30. Burkhart SS. The evolution of clinical applications of biodegradable implants in arthroscopic surgery. Biomaterials. 2000; 21 (24): 2631-2634.
31. Kristensen G, Lind T, Lavard P, Olsen PA. Fracture stage 4 of the lateral talar dome treated arthroscopically using biofix for fixation. Arthrosc. J. Arthrosc. Relat. Surg. 1990; 6 (3): 242-244.
32. Macarini L, Murrone M, Marini S, Mocci A, Ettorre GC. MRI in ACL reconstructive surgery with PDLLA bioabsorbable interference screws: evaluation of degradation and osteointegration processes of bioabsorbable screws. Radiol. Med. 2004; 107 (1-2): 47-57.
33. Frazza E.J., Schmitt E.E. A new absorbable suture. J. Biomed. Mater Res. 1971; 5 (2): 43-58.
34. McFarland EG, Park HB, Keyurapan E, Gill HS, Selhi HS. Suture anchors and tacks for shoulder surgery, part 1: biology and biomechanics. Am. J. Sports Med. 2005; 33 (12): 1918-1923.
35. Magnusson L, Ejerhed L, , Rostgärd-Christensen L, , Sernert N, Eriksson R, Karlsson J, et al. A prospective, randomized, clinical and radiographic study after arthroscopic Bankart reconstruction using
ПОЛИТРАВМА
2 different types of absorbable tacks. Arthroscopy. 2006; 22 (2): 143-151.
36. Brunetti VA, Trepal MJ, Jules KT. Fixation of the Austin osteotomy with bioresorbable pins. J. Foot Surg. 1991; 30 (1): 56-65.
37. Ruf W, Schult W, Buhl K. Die Stabilisierung von Malleolarfrakturen und Flakeverletzungen mit Resorbierbaren Polyglykolid-Stiften (Biofix©). Unfallchirurgie. 1990; 16 (4): 202-209.
38. Rokkanen P, Böstman O, Vainionpää S, Vihtonen K, Törmälä P, Laiho J, et al. Biodegradable Implants in Fracture Fixation: Early Results of Treatment of Fractures of the Ankle. Lancet. 1985; 325 (8443): 1422-1424.
39. Bostman O, Mäkelä EA, Törmälä P, Rokkanen P Transphyseal fracture fixation using biodegradable pins. J Bone Jt. Surg Br. 1989; 71 ( 4): 706-707.
40. Hope PG, Williamson DM, Coates CJ, Cole WG. Biodegradable pin fixation of elbow fractures in children. A randomised trial. J. Bone J. Surg Br. 1991; 73 (6): 965-968.
41. Partio EK, Merikanto J, Heikkila JT, Ylinen P, Makela EA, Vainio J et al. Totally absorbable screws in fixation of subtalar extra articular arthrodesis in children with spastic neuromuscular disease: preliminary report of a randomized prospective study of fourteen arthrodeses fixed with absorbable or metallic screws. J. Pediatr. Orthop. 12 (5): 646-650.
42. Garvin K, Feschuk C. Polylactide-polyglycolide Antibiotic Implants. Clin. Orthop. Relat. Res. 2005; (437): 105-110.
43. Balabanyan V, Ulyanov A, Boyat V, Khomenko A, Sedush N, Ch-valun S, et al. Development and evaluation of a nanoparticu-late paclitaxel formulation based on lactic-glycolic acids copoly-mer //Russ. J. Biopharm. 2013. Vol. 5, № 6. P. 28-37. Russian (Балабаньян В.Ю., Ульянов А.М., Боят В., Хоменко А.Ю., Се-душ Н.Г., Чвалун С.Н и др. Разработка и исследование нано-сомальной формы паклитаксела на основе сополимера молочной и гликолевой кислот //Биофарматевческий журнал. 2013. Т. 5, № 6. С. 28-37.)
Сведения об авторах:
Агаджанян В.В., д.м.н., профессор, главный врач ГАУЗ КО «Областной клинический центр охраны здоровья шахтеров», г. Ленинск-Кузнецкий, Россия.
Кравцов С.А., д.м.н., заведующий центром реанимации, интенсивной терапии и анестезиологии, ГАУЗ КО «Областной клинический центр охраны здоровья шахтеров», г. Ленинск-Кузнецкий, Россия.
Демина В.А., инженер-исследователь, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», г. Москва, Россия.
Гомзяк В.И., лаборант-исследователь, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», г. Москва, Россия.
Седуш Н.Г., к. физ-мат. н., инженер-исследователь, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», г. Москва, Россия.
Чвалун С.Н., д.х.н., проф., заместитель руководителя Курчатовского комплекса НБИКС-технологий по научной работе, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», г. Москва, Россия.
Information about authors:
Agadzhanyan V.V., MD, PhD, professor, chief physician, Regional Clinical Center of Miners' Health Protection, Leninsk-Kuznetsky, Russia.
Kravtsov S.A., MD, PhD, chief of the center of critical care medicine, intensive care and anesthesiology, Regional Clinical Center of Miners' Health Protection, Leninsk-Kuznetsky, Russia.
Demina V.A., experimental engineer, National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow, Russia.
Gomzyak V.I., clinical research assistant, National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow, Russia.
Sedush N.G., candidate of physico-mathematical science, experimental engineer, National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow, Russia.
Chvalun S.N., doctor of chemistry, deputy chief of scientific work, Kurchatov complex of NBICS technologies, National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow, Russia.
Адрес для переписки:
Седуш Н.Г., площадь Академика Курчатова, 1, Москва, Россия, 123182 Тел: +7 (916) 774-40-06 E-mail: [email protected]
Address for correspondence:
Sedush N.G., Academica Kurchatova square, 1, Moscow, Russia, 123182 Tel: +7 (916) 774-40-06 E-mail: [email protected]
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (уникальный идентификатор проекта RFMEFI60414X0081).
■
