Высокомолекулярные соединения
Серия А
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2012, том 54, № 8, с. 1203-1221
ОБЗОРЫ
УДК 541(64+183)
ПОЛИМЕРЫ В ОРТОПЕДИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ И ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ: ОТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ К "УМНОЙ" БИОФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ1 © 2012 г. В. А. Коржиков, Е. Г. Влах, Т. Б. Тенникова
Учреждение Российской академии наук Институт высокомолекулярных соединений РАН 199004 Санкт-Петербург, Большой пр. 31 Санкт-Петербургский государственный университет Химический факультет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр.,26
Материалы на основе полимеров имеют важное значение для биомедицинских применений. Тем не менее требования к используемым полимерам за последние несколько десятилетий претерпели значительные изменения. В предлагаемом обзоре обобщены и систематизированы данные, демонстрирующие историю применения полимеров в ортопедической хирургии и тканевой инженерии. Особое внимание уделено обсуждению новых задач, решение которых может быть достигнуто путем создания "умных" биологически функциональных полимерных структур, способных управлять поведением клеток.
ВВЕДЕНИЕ
Ежегодно десятки миллионов человек по всему миру страдают от костных повреждений, чаще всего от переломов. При этом примерно одна пятая часть пострадавших нуждается в госпитализации [1, 2]. Огромное количество людей подвержено паталогии разрушения костей в результате остеопороза, и еще около тридцати миллионов находятся в группе риска из-за снижения костной массы [3, 4]. Более редкими, но достаточно распространенными, являются случаи генетически обусловленного остеопсати-роза и остеосаркомы [4]. Кроме этого, потребность в восстановлении или замене кости возникает при артопластике суставов, позвоночном артродезе и челюстно-лицевой хирургии [5, 6].
Во всех этих случаях, необходимо заполнение дефектного участка кости с целью восстановления структуры и функции поврежденной ткани
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований №3 Отделения химии и наук о материалах РАН, Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 11-03-00829-а), Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 годы" (госконтракт №14.740.11.0382) и гранта Президента Российской Федерации (договор № 16.120.11.5826-МК).
E-mail: tennikova@mail.ru (Тенникова Татьяна Борисовна).
[7]. Хотя с древних времен при нарушениях в костной системе используется соединение костных отломов без хирургического вмешательства путем наложения шинирующих повязок, такой метод дает хорошие результаты только при простых переломах. Для тяжелых травм и костных заболеваний развитие науки позволило разработать целый ряд методов лечения, предполагающих хирургическое вмешательство с введением (имплантацией) различных материалов и изделий в место соединения разломов или для заполнения полости, образовавшейся после удаления кости или ее элемента. Использование аутографтов — частей кости, заимствованных из организма самого пациента, имеет ограниченное применение [2, 5]. Среди традиционных небиологических материалов для костного эндопротезирования широко применяются металлы и сплавы, а также керамические и силикатные материалы. Однако металлы значительно отличаются по механическим свойствам от материала кости, что при многократных циклических нагрузках может привести к разрушению последней [1, 8]. Изделия из керамики демонстрируют повышенную хрупкость и применимы для протезирования преимущественно костных элементов малых размеров, к тому же работающих при относительно невысоких нагрузках [8, 14].
Несмотря на то что, на первый взгляд, полимеры кажутся несовместимыми с такой сложной по биохимическим и биомеханическим свойствам структурой, как костная ткань, уже на первых стадиях внедрения в данную область медицины они привлекли широкое внимание биоинженеров, хирургов, химиков и физиков, работающих над созданием новых материалов. Именно полимеры позволяют варьировать в широких пределах свойства материалов в зависимости от их состава и структуры. Вначале использование полимеров вызвало интерес в связи с возможностью замены тяжелых металлических деталей эндопротезов более легкими полимерными изделиями, но за последние десятилетия гомо- и сополимеры, а также композиционные материалы на их основе заняли важное место в эндопротезировании костных поражений [1, 8].
С конца прошлого столетия в связи с развитием клеточной биологии (разработка методов получения стабильных клеточных линий), геномики, про-теомики, а также накоплением и углублением знаний о процессах заживления тканей рождается новая биотехнологическая научно-практическая отрасль, так называемая тканевая инженерия. Данная область лучше всего определяется ее целью, а именно конструированием и созданием в лабораторных условиях живых функциональных компонентов, которые могут быть использованы для восстановления поврежденных или неправильно функционирующих тканей [2, 5, 8].
Преимущественное число исследований в этой области связано с разработками материалов для регенерации костной ткани. Здесь одной из основных проблем развития является создание трехмерных пористых каркасов (скаффолдов), удовлетворяющих требованиям биосовместимости, способных поддерживать рост новой ткани и обеспечивать механическую устойчивость последней до завершения ее образования [2]. Из текущей литературы [2, 8, 9—11] очевидно, что полимеры заняли ведущие позиции при создании таких поддерживающих сред. Различные научные группы предложили значительное число методов формирования скаффолдов на основе как чисто полимерных структур, так и композиционных полимерно-неорганических материалов. Однако опыт клинических испытаний предлагаемых конструкций можно пока назвать незначительным. Современные исследования приводят к пониманию необходимости не только создания трехмерных пористых каркасов для роста клеток, но и к разработке методов биологической функциона-лизации синтетических материалов, позволяющей приблизить их свойства к свойствам природного внеклеточного материала (матрикса) [12]. Не удивительно, что наука о полимерах предоставляет широкие возможности для осуществления подобной идеи.
В представляемом обзоре систематизированы данные, демонстрирующие историю применения полимеров в ортопедической хирургии и тканевой инженерии, и обсуждаются новые задачи, решение которых может быть достигнуто путем создания "умных" биологически функциональных полимерных структур, способных управлять поведением клеток. При этом именно последнему пункту, отражающему наши собственные результаты и планы на будущее, уделено особое внимание.
ПОЛИМЕРНЫЕ ИМПЛАНТАТЫ
ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ
Максимальный интерес для возможного применения имплантантов в костной системе представляют следующие направления: эндопротези-рование удаленных костей; использование крепежных деталей и клеев для соединения частей кости или крепления в системе кость—протез; пломбирование костных дефектов. При этом здесь существует два направления, а именно использование полимеров для постоянного и временного функционирования в организме [1, 13].
Недеградируемые полимерные имплантаты
Эндопротезы костей, пожизненно функционирующих в организме, изготовляют из полимерных материалов, устойчивых к биодеградации. При этом основные сложности связаны с постоянным механическим воздействием устройства на окружающие ткани. Они, в частности, обусловлены его скольжением в тканевой среде, что приводит к затрудненному образованию нормальной капсулы, нарушению обменных процессов и к некротическим изменениям. Улучшение приживаемости устойчивого к биодеградации имплантата может быть достигнуто путем его неспецифической функционализации посредством придания ему пористости или перфорированием материала, что способствует прорастанию новой ткани в массу имплантата и формированию нормальной тканевой капсулы [14, 15].
Распространенными биоинертными медицинскими полимерами являются ПММА, полиоле-фины (ПЭ и ПП), политетрафторэтилен, полиси-локсаны, ПЭТФ, ПУ. Подробности использования подобных высокомолекулярных веществ в ортопедической хирургии описаны, например, в работах [1, 2, 8], однако следует отметить тот факт, что на первых этапах развития данной области применялись исключительно промышленно доступные полимеры. Именно конструкционные полимеры стали первыми макромолекулярными веществами, которые служили запасными частями для человеческого организма. Важно, чтобы эти материалы сохраняли свои свойства в течение всего периода своего функционирования, по-
скольку физиологическая среда организма может рассматриваться как достаточно агрессивная. Данное требование выполняется благодаря стабильности химических связей, составляющих основную цепь полимеров, а именно связей углерод—углерод или кремний—кислород, а также за счет гидрофобности макромолекул, препятствующей проникновению воды внутрь материала.
Биодеградируемые полимерные имплантаты
В отличие от вышеупомянутых полимеров существуют макромолекулы, подвергающиеся разрушению, например путем гидролиза. До 60-х годов прошлого столетия данные полимеры не были практически востребованными. В 1966 году Kulkarni с сотр. [16] предложил использовать полимолочную кислоту для производства биодегра-дируемых хирургических имплантатов, поскольку гидролиз данного полимера приводит к выделению естественного метаболита цикла Кребса — молочной кислоты. Годом позже Schmitt и Polistina [17] запатентовали биодеградируемые шовные нити на основе полигликолевой кислоты, ставшие известными в дальнейшем под названием Dexon®. Начиная с этого времени, наблюдается бурное развитие областей синтеза и применения биодеградируемых полимеров. На их основе изготавливают имплантаты, временно функционирующие в организме, которые по мере разрушения замещаются регенерируемой костной тканью. Наиболее часто такие полимеры применяют для изготовления деталей крепления костных от-ломов, для некоторых типов клеевых композиций, для замещения элементов костей, способных к быстрой регенерации [18—22]. Основными синт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.