ТИТАН КАК ИМПЛАНТАТ

Вот уже больше десяти лет ученые Института физики металлов УрО РАН и Уральского НИИ травматологии и ортопедии им. В.Д. Чаклина занимаются разработкой имплантатов для замещения костной ткани из пористого титана с углеродным покрытием. На этом длинном пути наметился выход на финишную прямую: в двух институтах активно идет подготовка к клиническим испытаниям новой «технологии здоровья». В случае удачи работа уральских физиков и медиков может стать редким примером того, как результаты фундаментальных исследований успешно используются в медицинской практике. Вот что рассказали корреспонденту «НУ» сотрудники ИФМ и УНИИТО об удачах и трудностях совместного исследования.

С ПОЗИЦИИ ФИЗИКОВ
Из беседы с Анной Рубштейн, кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником лаборатории углеродных наноматериалов ИФМ:
—Уважаемая Анна Петровна, как возникла идея создания имплантатов из пористого титана?
— У истоков стоял Илья Шмулевич Трахтенберг, которого, к сожалению, в прошлом году не стало. Он был человеком увлеченным, всегда искал что-то новое. Его идею о применении этого материала в медицине поддержали директор НИИ травматологии и ортопедии Игорь Леонидович Шлыков и его заместитель Артур Васильевич Осипенко, с которыми Илья Шмулевич и договорился о совместной разработке имплантатов костной ткани из пористого титана. В нашем институте уже исследовался пористый титан, но исключительно для технических нужд.— Почему был выбран именно пористый титан?
— Титан и его сплавы широко используются в медицине. Считается, что титан является одним из наиболее биосовместимых металлов. Цельнометаллические титановые конструкции давно применяются в травматологии и ортопедии, например, при изготовлении эндопротезов крупных суставов, различных эндофиксаторов. Но когда речь заходит о замещении у человека утраченной части костной ткани, то использование цельного имплантата неоправданно, потому что вокруг такого имплантата в 40% случаев образуется соединительно- тканная прослойка (капсула). Фиксация такого имплантата становится нестабильной, а вот пористый имплантат, напротив, образует с костной тканью композит.
Важно и то, что нами был найден новый способ получения пористого титана. В основном его получают методом порошковой металлургии: берут порошок и прессуют. Мы же вместо порошка использовали изначально пористые гранулы титана губчатого, которые выпускает предприятие ВСМПО-АВИСМА. Они уже пронизаны своеобразной сетью каналов, и при их прессовании в имплантате образуется развитая система пор разного размера. Оказалось, что именно в такую структуру костная ткань хорошо врастает. Еще одно наше ноу-хау — это алмазоподобная углеродная пленка. Покрытый ею имплантат лучше и быстрее интегрирует с костной тканью. Другое преимущество такой пленки — ее долговечность, в отличие от пленки из гидроксиапатита, которая со временем растворяется в организме.
— Как строилось ваше взаимодействие с сотрудниками Института травматологии и ортопедии?
— Там образовалась группа медиков, заинтересованных в этой разработке. Поначалу мы с ними понимали друг друга с трудом. Мы — физики, они — медики, у нас свой профессиональный язык, у них — свой. Пришлось расширять свои познания в биологии и медицине, знакомиться с терминологией, особенностями исследования биологического материала. Коллеги из НИИ травматологии и ортопедии отнеслись к нам с большим пониманием, многое объясняли, пути решения проблем рождались исключительно в совместных обсуждениях. Сложностей было много, но взаимная заинтересованность, терпение, тщательный подход к экспериментам сыграли свою роль в достижении результата. Стоял вопрос и о выборе подходящих журналов для публикаций, так как наши исследования лежат в междисциплинарной области. Отделить физику и биологию в нашей работе было уже невозможно. В итоге, опубликовав более 20 статей, мы сошлись во мнении, что необходимо все систематизировать в монографии, которая вышла в свет в 2012 году. Кроме того, нами получено 8 совместных патентов, и это не предел.
— А медики в свою очередь заинтересовались физикой металлов?
— Конечно. Они приходили к нам, знакомились с технологией, возможностями физических методов исследования. Наше сотрудничество не ограничивалось общением только с исследователями. Хирурги с большим практическим опытом, которые, кстати, очень хорошо разбираются в механике и физике, своим критическим взглядом зачастую подсказывали правильное решение. Можно сказать, что с ними было проще разговаривать.
— Что нужно предпринять, чтобы перейти к клиническим испытаниям?
— Для этого сейчас оформляются все необходимые документы, разрабатывается методика проведения операции, готовится опытная партия имплантатов четырех видов. Клинические испытания — длительный процесс, который займет, скорее всего, несколько лет. Институт травматологии и ортопедии взял на себя оформление всех необходимых разрешений, а мы займемся регистрацией имплантата как медицинского изделия.
— Готовы ли вы к тому, что в результате этих испытаний потребуется что-то скорректировать?
— Пока мы договорились, что делаем простые формы имплантатов: цилиндры, конусы, пластинки. Можно делать и более сложные конфигурации, но сейчас перед нами стоит другая задача. Хирурги должны определить возможную область применения нашего пористого титана. Они предварительно очертили несколько перспективных направлений: замещение дефектов костной ткани при переломах тазового кольца, костей конечностей, есть и другие планы. Когда будет определено, где конкретно можно использовать пористый титан с алмазоподобным покрытием, тогда уже и будут разрабатываться соответствующие формы для имплантатов.
— Это будет типовое изделие?
— Да, скорее всего. Будет делаться типовая форма и ее размерный ряд. Хирург, имея набор имплантатов, на месте уже решит, какая форма и какой ее размер больше подходят конкретному пациенту. Безусловно, идеальный вариант, когда имплантат изготавливается по индивидуальному заказу, но зачастую для этого просто нет времени, да и затраты в таком случае будут более существенными.
— Производство планируется наладить на базе ИФМ?
— Насколько я знаю, институт не имеет права заниматься производством, мы можем делать только опытные партии. Предполагается, что будет создано малое предприятие, куда наш институт может войти со своей интеллектуальной собственностью. Сейчас мы собираем информацию о потребностях медицинских учреждений Уральского федерального округа в такого рода имплантатах, ищем инвестора. Уже ведутся соответствующие переговоры.
— Насколько это дорогостоящее производство?
— Гранулы, которые мы используем, недорогие, да и количество их требуется не очень большое. Самое дорогое — это оборудование, необходимое для прессования и нанесения алмазоподобного углерода, а также наборы пресс-форм, но это лишь первоначальные вложения, которые будут работать десятки лет.

С ПОЗИЦИИ МЕДИКОВ
Из беседы с Эмилией Макаровой, кандидатом медицинских наук, старшим научным сотрудником клинико-биохимической лаборатории ФГБУ «УНИИТО им. В.Д. Чаклина»:
— Еще в конце 80-х — начале 90-х годов сотрудники нашего института вместе с итальянцами разрабатывали имплантаты на основе пористого гидроксиапатита, насыщенного аутологичными стромальными клетками пациента. Работа показала перспективность исследований в этом направлении, но сразу выявила и некоторые недостатки. Гидроксиапатит весьма хрупок, и, когда замещается дефект, необходима длительная внешняя фиксация, пока гидроксиапатит не деградирует и не заместится костной тканью. Напротив, титан, изначально обладает необходимой прочностью. Но металл, даже такой биосовместимый, как титан, остается инородным для организма, в отличии от гидроксиапатита, входящего в состав костей. Поэтому нам показалось интересным решение модифицировать поверхность металла инертным и прочным алмазоподобным покрытием.
В течение первых полутора лет совместной работы мы исследовали токсичность, биосовместимость материала в клеточных культурах. В итоге мы отказались от двух из четырех первоначально предложенных физиками пленок. После мы перешли к исследованиям на животных. Признаюсь, у меня не было больших надежд на успех. Еще более скептично были настроены хирурги. Первый этап эксперимента in vivo был выполнен на кроликах. Пришлось учитывать особенности введения наркоза, отрабатывать технику оперативного вмешательства, послеоперационного ведения. Главный итог, который мы получили в результате этих экспериментов, — образование на ранних сроках более прочной костной ткани на границе с металлом и зрелой костной ткани в поровом пространстве по сравнению с титаном без такого покрытия. Это значит, что в будущем возможна ранняя активность пациента. Она в свою очередь стимулирует костеобразование и улучшает качество его жизни. Эти результаты вдохновили нас.
Полученные данные были подтверждены в эксперименте на баранах. Для них нам даже пришлось строить специальные послеоперационные стойла, потому что барашки после операции очень быстро начинали активно себя вести. С ними у нас с самого начала приключилась замечательная история. Фермер из деревни на севере области согласился бесплатно содержать после операции в течение года наших барашков, потому что он понимал, как это важно, да и самому ему это было интересно. Для нас было значимо, что животные жили в стаде на свободном выгуле. Они двигались, бегали уже через месяц после операции, и ни у одного из них не было переломов!
— Значит, есть у нас производственники, восприимчивые к «ноу-хау»! И что же будет далее?
— Впереди у нас очень сложный этап — переход к клиническим испытаниям, потому что не все результаты, полученные на животных, могут подтвердиться. Я должна сказать, что эта технология все-таки не универсального назначения, в сравнении, например, с аппаратом Илизарова. И сегодня наша задача как медиков заключается в том, чтобы четко определить область применения этих имплантатов и противопоказания для их использования.
— И все-таки когда имплантаты из пористого титана будут широко применяться в медицинской практике?
— К, счастью, такие имплантаты не нужны большому количеству наших пациентов и, повторюсь, показания для их использования должны быть четко определены. Что касается получения разрешения для использования имплантатов из пористого титана с алмазоподобными пленками, наши юристы внимательно изучили документы, расписали алгоритм действий. Над этим мы все сейчас и работаем.

Беседу вел Павел КИЕВ
На фото: Анна Рубштейн и Эмилия Макарова; титановые имплантаты; костная ткань, образованная в порах имплантата.