Советский хирург Гавриил Илизаров в начале 1950-х годов разработал аппарат для исправления кривизны ног, врожденных деформаций, косолапости, восстановления пропорций тела у взрослых и детей. С тех пор устройство, названное его именем, успешно применяется не только у нас в стране, но и во всем мире.
Гавриил Илизаров
В Кургане работает Центр Илизарова – одно из самых успешных учреждений России, специализирующихся на восстановительной травматологии и ортопедии. На протяжении многих лет центр сотрудничает с ТПУ – крупным разработчиком материалов медицинского назначения. Результатом этого партнерства стал усовершенствованный аппарат Илизарова.
Спицы в помощь
Он состоит из набора простых деталей: колец, титановых или стальных стержней, тонких металлических спиц. Спицы, проведенные через кость, фиксируются в натянутом состоянии на опорах аппарата, а последние соединяются между собой подвижными штангами. За счет движения этих штанг врачи проводят манипуляции с костью.
«В случаях, когда кость нужно удлинить (например, когда у ребенка ножки разной длины, что само по себе приводит к серьезной патологии со стороны позвоночника, костей таза, крупных суставов), врачи рассекают кость и фиксируют конечность аппаратом Илизарова. Затем ее фрагменты раздвигаются очень медленно, на миллиметр в сутки, – разъясняет технологию Сергей Твердохлебов, доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ. – Разработанный нами совместно с коллегами имплантат представляет собой титановую или стальную спицу. Она вставляется внутрь трубчатой кости для ускорения регенерации. А специальный биоактивный состав, нанесенный на имплантат, позволяет вдвое увеличить скорость перемещения костных фрагментов (процесса удлинения конечности), а также сократить сроки восстановления нормальной структуры выращенной кости и мышц».
Биоактивный состав позволяет вдвое увеличить скорость лечения
В университете разработаны не только технологии для изготовления самих имплантатов, нанесения на них покрытий, но и необходимое для этого технологическое оборудование. Последнее – с привлечением научных партнеров из других организаций. Интерес к этому оборудованию проявляют индустриальные партнеры ТПУ. А работа томских ученых поддержана Министерством науки и высшего образования РФ в рамках федеральной целевой программы.
...и возникает молния
Имплантаты-спицы, разработанные в Томске, сделаны из традиционных для имплантологии материалов – металлов. Находка ученых – специальное биоактивное покрытие с пьезоэлектрическим фторуглеродным пластиком и гидроксиапатитом (для стали) или кальция фосфатом (для титана). В первом случае оно наносится методом аэродинамического формирования (если говорить проще, под воздействием воздушного потока), для титановых имплантатов – методом микродугового оксидирования.
«Представьте себе сварку – процесс в чем-то похожий, – рассказывает Сергей Твердохлебов. – Титан, как и любой металл, проводник. На его поверхности образуется оксид (читай: диэлектрик), его можно пробить электрическим полем. При этом начинает гореть маленькая молния, микродуга. И образуется высокая температура, под воздействием которой на поверхности имплантата перемешиваются материал основы и «добавка», которую мы внесли в электролит. Получается сложный композит. Медики называют его гидроксиапатитом. По сути, это минеральная основа наших костей. Мы предпочитаем другое название – кальций-фосфатный материал. Но механизм его действия от этого не меняется».
Прежде чем разработка получит широкое применение, проводятся тщательные лабораторные испытания. Этим занимаются специалисты из Томска, Кургана и других городов. Сначала – исследование на клетках. На данном этапе проверяется, чтобы покрытие не оказалось токсичным, а также тестируется его способность стимулировать рост костной ткани. На следующем этапе подключаются лабораторные животные: нужно отследить, как имплантат, покрытый биоактивным веществом, ведет себя в организме.
«Покрытия приближены по своему составу и физическим характеристикам к реальной костной ткани, что улучшает приживаемость имплантатов, – поясняет научный сотрудник лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ Евгений Больбасов. – Но есть еще один важный нюанс: в больших трубчатых костях находится костный мозг, а в нем – в большом количестве мезенхимальные стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в различные типы клеток. Покрытие на имплантате, имитирующее состав кости, заставляет эти стволовые клетки «переквалифицироваться» в костный материал».
Имплантаты с магнетронными кальций-фосфатными покрытиями
Если попытаться нарисовать очень упрощенную картинку, то она будет выглядеть примерно так. Стволовые клетки представляют собой основу для развития клеток мозга, костей, крови или тканей любого другого органа. В случае с нашим имплантатом клетка «пришла», «увидела» кость, «села» на нее, стала «питаться» и формировать вокруг себя ткань, идентичную биоактивному покрытию, превратившись по функции в костную клетку – остеобласт. Ровно так же поступили ее соседки – множество других клеток, которых привлекла поверхность на имплантате. В результате новая костная ткань начинает усиленно наращиваться. И происходит это быстрее, чем при использовании классических методов.
Ученые лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ позаботились не только о потенциальных пациентах, но и о докторах, которые проводят сложные операции. С недавнего времени из стен лаборатории выходят... разноцветные имплантаты.
«Во время операции могут использоваться разные имплантаты: по размеру, составу и другим свойствам, – объясняет Евгений Больбасов. – Чтобы хирургу не приходилось тратить драгоценное время на разъяснения ассистентам, какой именно имплантат ему нужен в данный конкретный момент, мы внесли дополнительную маркировку нашей «продукции» – по цвету. Теперь врачу достаточно сказать: «Подай коричневый, фиолетовый, синий, голубой».
Никто, разумеется, не раскрашивает имплантаты во все цвета радуги. Все дело в тончайшей пленке оксида титана и эффекте интерференции света. Регулируя толщину, можно задавать нужную цветовую гамму изделий – от серой «базы» до чистого «золота».
Нано, микро и не только
Томский политехнический университет
Имплантаты-спицы с биоактивным покрытием – не единственная разработка томских ученых. Недавно совместно с коллегами из Риги они создали покрытие, позволяющее костям быстрее срастаться в случае остеопороза. Повысить биологическую активность материалов удалось за счет магния и стронция.
Сейчас ученые ТПУ активно работают над разработкой остео- и иммуномодулирующих материалов, которые будут применяться при политравмах, осложненных патологиями. Речь о повреждении костей вследствие различных аварий, падения с высоты, ранений, а также из-за метастазов.
Новый материал позволит исключить аллергические реакции, инфицирование ран и отторжение имплантатов у пациентов. Главная «фишка» проекта в том, что можно будет разрабатывать материалы, подходящие каждому конкретному пациенту. Сегодня в мире все большую популярность приобретает персонифицированная медицина. Томские ученые принимают в этом процессе свое участие.
Работа специалистов ТПУ – яркий пример, когда наука помогает делает жизнь людей лучше, комфортнее, радостнее. Биоактивные спицы в исполнении томичей их медицинские партнеры – ведущие российские специалисты в области применения биоактивных имплантатов Арнольд и Дмитрий Попковы – используют не только в Центре Илизарова. Благодаря им более 400 пациентов из России, Сербии и Франции в возрасте от 6 до 50 лет смогли исправить дефекты внешности, связанные с укороченными верхними и нижними конечностями различной этиологии, а вместе с этим обрести уверенность в себе и начать жить полноценной, насыщенной жизнью.
Екатерина Штополь
