Журнал «Боль. Суставы. Позвоночник» Том 9, №1, 2019

Вступ

У багатьох галузях медицини широке застосування отримали імплантати з різних синтетичних та природних біоматеріалів. Із кожним роком їх перелік розширюється у зв’язку зі створенням нових матеріалів та оптимізацією їх властивостей для конкретного застосування [17, 21, 25, 43, 46].

Відповідно до якостей матеріали розділяють на дві групи: біоінертні та ті, що біодеградують у ділянках імплантації. Біоінертні матеріали знайшли широке застосування в ортопедії та травматології [27]. Однак подальший розвиток досліджень спрямовано на матеріали, що біодеградують. Перевагою таких імплантатів є їх повна деградація, що позбавляє від додаткової операції щодо їх видалення, а в разі імплантації в кісткову тканину забезпечує стабільність фіксації на певний термін [33, 69, 70].

Розробка біоматеріалів з якостями біодеградації для фіксуючих пристроїв або заповнення кісткових порожнин є складним завданням і потребує взаємодії між фахівцями, що створюють матеріали, та між дослідниками в галузі медицини та біології. Вивчення реакцій організму на різні штучні матеріали має велике значення у зв’язку з розширенням спектра імплантатів, які розробляють для використання в кістковій хірургії та регенераторній медицині.

Відомо, що тканини людського організму мають властивості реагувати на введення в організм чужорідних матеріалів [16, 38]. У зв’язку з цим кожний новий біоматеріал або композити на основі відомих біоматеріалів проходять детальні експериментальні дослідження для визначення їх біосумісності й особливостей перебудови в ділянках імплантації.

Матеріалами з якостями біодеградації, котрі зазвичай використовують у кістковій хірургії, є полігліколід (PGA), полілактид (PLA, полімолочна кислота), полілактид та полігліколід (PLGA, співполімери різного співвідношення), полідіоксанон, пропілен, полісульфон та полікарбонат. Серед матеріалів, що частіше використовують для створення імплантатів, є PLA та PGA, особливістю яких є біодеградація в ділянках імплантації, остеоінтеграція, здатність індукувати процеси утворення кісткової тканини та висока біосумісність із тканинами організму [36, 44, 46]. Крім того, із введенням у медичну практику 3D-принтера вони є ідеальними кандидатами для виготовлення друкованих імплантатів.

Мета огляду: проаналізувати та узагальнити дані щодо перебудови в кістці біорезорбуючих біоматеріалів на основі полілактиду та визначити тенденції розвитку проблеми.

Інформаційний пошук провели за допомогою електронних баз Google, Google Scolar, PubMed, Academic Resours Index, РІНЦ, використовуючи ключові слова: «полілактид», «полімолочна кислота», «композити», «біодеградація», «клінічне застосування», «експериментальні дослідження».

Загальна інформація щодо PLA

Полілактид є напівкристалічним полімером, синтезованим у реакції полімеризації або поліконденсації, із молекулярною масою від 180 000 до 530 000 і температурою плавлення приблизно 174 °C, температурою стекління 57 °С. У ділянках імплантації PLA деградує шляхом гідролізу. Залежно від конфігурації PLA може існувати у вигляді двох різних стереоізомерів — полі-L-лактиду (PLLA) та полі-D-лактиду (PDLA), які розрізняються властивостями: PLLA має повільну деградацію від 2 до 5 років, PDLA втрачає свою механічну міцність значно швидше [23]. Тому багато ортопедичних імплантатів виготовляють саме з PLLA [6].

Історичний аспект

Перше експериментальне дослідження на тваринах із використанням PLLA було опубліковано в 1966 році, в якому доведено біосумісність цього біоматеріалу, визначено відсутність токсичних якостей та його здатність поступово деградувати в ділянках імплантації [30]. При використанні пластин та гвинтів із PLLA для фіксації нижньої щелепи в собак було підтверджено відсутність значної побічної дії на тканини [29]. У 1971 р. було проведено клінічне дослідження при переломах нижньої щелепи в людини, в якому автори підтвердили можливість застосування цього біоматеріалу в клінічних умовах [10]. Однак широкого використання цей матеріал не отримав. За результатами аналізу перших клінічних випробувань імплантатів із PLA з 1990 до 1996 року було повідомлено, що серед побічних реакцій запалення та набряк у ділянці імплантації виявлено в 47 % пацієнтів [6]. Крім того, виникли деякі проблеми, пов’язані з використанням імплантатів із PLA, а саме швидка втрата стабільності імплантатів та їх переломи, недостатня жорсткість та міцність порівняно з металевими імплантатами [15].

Недоліком більшості біорезорбуючих композитів була їх низька остеоінтегративна активність. У деяких дослідженнях [4, 21, 47] визначено, що PLA має високий модуль пружності (3,5–3,8 ГПа) та міцність на розрив (48–110 МПа), однак йому притаманні крихкість і низька жорсткість, що обмежує його застосування.

Прогрес у матеріалознавстві в разі створення імплантатів із стереоізомерів PLA, усунення негативних факторів матеріалу, розробка методів стерилізації змінили поведінку імплантатів, що знову привернуло увагу клініцистів [25]. Подальший інтерес до PLA був пов’язаний зі створенням співполімерів, композитів на його основі, вдосконаленням технології виготовлення, що призвело до поліпшення якостей біодеградації та механічних властивостей імплантатів.

Фактори, що впливають  на біодеградацію імплантатів

Біодеградація — це процес, в якому полімер розкладається на воду та вуглекислий газ через дію біологічного середовища [21]. При повній біодеградації PLA повністю перетворюється на газоподібні продукти із заповненням кістковою тканиною ділянки розташування імплантату в кістці.

Механічні властивості, біологічна поведінка та механізми біодеградації неоднакові для різних композитів на основі PLA, що потребує їх подальшого дослідження та визначення оптимального застосування в кістковій хірургії. Матеріали, що біодеградують, повинні бути біосумісними, тобто не викликати запальної та імунної відповіді; продукти деградації не повинні бути токсичними для організму.

Швидкість біодеградації імплантатів залежить від їх розташування в ділянках скелета. Пристрої, які імплантують у місця з недостатньою васкуляризацією, можуть викликати негативну реакцію за рахунок накопичення кислих побічних продуктів, що несприятливо впливають на тканини. Крім того, імплантати в ділянках кістки з підвищеним навантаженням деградують значно швидше, ніж у ділянках без навантаження [39]. На результат деградації імплантату впливають якість кістки (компактна або губчаста), товщина шару м’яких тканин над імплантатом, стан судинного русла, тип остеосинтезу (внутрішньокістковий або накістковий), а також індивідуальні особливості пацієнтів [2, 8]. Загальний час деградації імплантатів залежить від кількох факторів, а саме якості матеріалу (наприклад, гідрофільний або гідрофобний), його структури — кристалічність, вихідна молекулярна маса, співвідношення компонентів полімеру, а також від розміру та дизайну імплантату, технології його виготовлення та особливостей стерилізації [8, 9, 40, 50]. На сьогодні проводяться дослідження, спрямовані на зниження реакції імплантатів на чужорідне тіло, зменшення кристалічності полімеру та контролю рН в умовах його біодеградації.

Деградація імплантатів із PLA починається з того, що біологічні рідини проникають у щілини імплантату, що супроводжується розщепленням полімерних ланцюгів на дрібні фрагменти. Це призводить до зниження в’язкості та впливає на механічну міцність матеріалу. Крім того, в умовах тріщин та щілин його гідрофобна поверхня може сприяти запальній реакції, а біодеградація викликає зниження адгезії й проліферації клітин на його поверхні [21]. Однак частота побічної реакції в ділянці імплантації PLA, створеного на основі сучасних технологій, низька, складає від 0 до 1 % [6]. Фактична втрата маси імплантату відбувається через розпад на молочну кислоту, виділення розчинених продуктів деградації шляхом фагоцитозу за допомогою макрофагів та остеокластів і, нарешті, через цикл Кребса до метаболічних кінцевих продуктів: двоокису вуглецю та води, які виділяються з організму через дихання та сечу [55, 57]. Тобто біодеградація полілактидів завершується утворенням метаболічних побічних нетоксичних для організму людини продуктів, що робить цей матеріал придатним для медичного застосування [51].

Композити на основі полілактиду

Якості PLA в кісткової хірургії обмежуються ділянками скелета, на які не очікується велике навантаження. З метою поліпшення міцнісних властивостей PLA, остеоінтеграції з кістковою тканиною, досягнення керованої деградації на його основі створюють різні композити.

Це передусім PLLA-PLDA, PLA-фосфати, PLA-гідроксилапатит, PLA-трикальційфосфат, PLA-хітозан та ін. [5, 13, 47, 52, 65]. Поліпшення механічних властивостей було досягнуто шляхом створення полімеру зі співвідношенням ізомерів PLLA:PLDА (85 : 15), а пластини, виготовлені з цього матеріалу, були використані в умовах фіксації переломів [20].

Для надання накістковим пластинам жорсткості та для підвищення механічних властивостей було створено композит на основі PLA з доданням трикальційфосфату [58]. Наприклад, введення біологічно активних добавок, таких як кальційфосфатні кераміки, може поліпшити його біологічні властивості, а також остеоінтеграцію, а в умовах біодеградації кальційфосфатні кераміки сприяють регенерації кістки. Для надання пластинам для остеосинтезу міцнісних якостей використовують PLA в поєднанні з гідроксилапатитом (OSTEOTRANS MX^®) [41].

Пластини та внутрішньокісткові імплантати, які були створені на основі PLLA, гідроксилапатиту та трикальційфосфату в співвідношенні 70 : 10 : 20, забезпечили високі остеоінтегративні та міцнісні якості біоматеріалу [42]. Створено композит на основі PLA з вуглецевими волокнами та гідроксил–апатитом [41].

Для використання в умовах порушення якості кістки (остеопороз та остеопенія) в композит на основі PLA було включено апатит разом зі стронцієм [33].

Посилення остеоінтегративних властивостей матеріалів із PLA та їх репаративних властивостей досягають шляхом надання матеріалам пористої структурної будови з оптимальним розміром пор (приблизно 100–200 мкм), що створює умови для вростання та функціональної перебудови в них кісткової тканини [35].

Імплантати з якостями біодеградації у вигляді перфорованих пластин (виробництво Synthes (Швейцарія), PolyMax) були створені з використанням L- і DL-лактиду, синтезованих у співвідношенні 70 : 30 % із періодом резорбції протягом 12–24 місяців [35]. Це співвідношення, на думку виробників, є оптимальним для застосування.

Дотепер PLA та PLA-композити розглядають як найбільш перспективні біополімери, що використовують у кістковій хірургії [13]. PLA добре вивчено й доведено, що цей біоматеріал є безпечним у клінічній практиці, відповідає вимогам і, отже, привертає до себе велику увагу фахівців [59]. Пошук композитів із корисними властивостями на підставі PLA продовжується.

Інновації у виготовленні імплантатів  із PLA і композитів

Великі сегментарні дефекти кісток, спричинені травмою, інфекцією, пухлинами кісток, становлять велику проблему для травматологів. Через те, що пацієнти мають індивідуальні та складні дефекти, матеріал та імплантати повинні відповідати цим потребам. Тому бажано, щоб навіть складні форми імплантатів могли бути легко виготовлені.

У 1986 році Charles Hull вперше запропонував тривимірний (3D) процес друку, сьогодні ця технологія розвивається досить швидко [54]. Використання 3D-принтера — це новий підхід для створення імплантатів різної форми та якості для тканин й органів. Введення в медичну практику 3D-принтерів дає можливість створення індивідуального імплантату для пацієнта, що точно за формою та об’ємом може замістити кістковий дефект у травмованій ділянці скелета. Однак разом із визначенням цього методу є ціла низка питань: вибір матеріалу для друку, дослідження можливостей використання в медицині нових розроблених композитів на підставі оцінки їх біосумісності, підбір матеріалу до певної ділянки імплантації залежно від навантаження та кровопо–стачання.

Надруковані на 3D-принтері кісткові імплантати з матеріалів, що біодеградують, мають декілька переваг, а саме необхідність відносно малоінвазивного втручання, відсутність повторного оперативного лікування для видалення імплантату, виготовлення індивідуальних конструкцій для конкретного пацієнта. Для 3D-друку використовують сучасні біоматеріали — керамічні, з різних полімерів, однак найчастіше — із PLA та PGА та композитів на їх основі [19], що відкриває нові перспективи в кістковій хірургії [37] та дає змогу виконувати операції, проведення яких раніше було неможливим. Друковані імплантати з PLA забезпечують механічну стабільність, мають високу біосумісність та остеокондуктивність [9].

Дослідження з перевіркою рівня забруднення ендотоксинами PLA, друкованого на 3D-принтері, продемонструвало низькі межові рівні, визначені FDA (Food and Drug Administration) [49].

Наведені дані розширюють можливості використання матеріалу з PLA, імплантати з якого можуть бути надруковані на 3D-принтері в разі проведення операцій на кістках. Ці імплантати використовують у кістковій хірургії та як підкладку у регенераторній медицині, зокрема, й для заміщення кісткових дефектів.

Однак необхідно враховувати, що PLA, виготовлені різними виробниками, можуть впливати на умови та якість друку, а також різним чином перебудовуються в кістковій тканині, що потребує додаткових експериментальних та клінічних досліджень [44].

Експериментальні дослідження PLA  та PLA-композитів

Експериментальні дослідження в культурі клітин та на тваринах розширяють можливості у визначенні особливостей біоматеріалу відносно його біосумісності, остеоінтеграції, міцності та термінів деградації [18].

Використання PLA в регенераторній медицині. Цей біоматеріал продемонстрував великі можливості в тканинній інженерії, а саме як підкладка різної форми та об’єму для культивування клітин із подальшою імплантацією їх в органи та тканини [1, 64]. У культурі клітин підтверджено, що PLA має біосумісність, не викликає імунну відповідь, інтегрується з клітинами.

Було проведено дослідження щодо порівняння в умовах in vitro (культура клітин) адгезії та проліферації клітин залежно від використання різних підкладок, на яких культивували клітини [64]. Були взяті титанові диски, бо цей матеріал найчастіше використовують у кістковій хірургії, та полістерол. Найвищу життєздатність клітин було зафіксовано на PLA (95,3 ± 2,1 %) порівняно з полістеролом (91,7 ± 2,7 %). Проліферація клітин була найбільшою в групі з використанням дисків із полістиролу, однак порівняно з проліферацією клітин на титанових дисках була вища на зразках PLA. З використанням сканувального електронного мікроскопа показано однорідне покриття клітинами поверхні всіх досліджених зразків, однак щільність клітин була вища на PLA та титанових дисках.

У культурі клітин було проведено порівняльний аналіз використаних твердих та пористих дисків, виготовлених із PLA, вкритих або заповнених колагеном [49]. Зразки біоматеріалу були надруковані на 3D-принтері. Мікроскопічний аналіз показав, що клітини різних типів (остеобластоподібні клітини, остеобласти, фібробласти й ендотеліальні) ростуть, поширюються на території друкованих дисків із PLA та проліферують, тобто матеріал біосумісний та має високі адгезивні якості.

Одним із напрямків сучасних досліджень є модифікація поверхні імплантатів, а саме створення пористої структури. Пористий PLA, вкритий колагеном, сприяє адгезії та росту ендотеліальних клітин, індукує утворення судин у ділянках імплантації. Комбінація надрукованої на 3D-принтері підкладки і PLA спільно з желатиновими гідрогелями показала, що стовбурові клітини людини, отримані з жирової тканини, можуть у разі культивування диференціюватися в остеогенному напрямку. На основі досліджень автори запропонували ці підкладки для використання в регенераторній медицині, а також для створення каркасів для заповнення кісткових порожнин й у регенерації кісток [62].

Експериментальні дослідження на тваринах. Досліджено в експерименті на щурах полілактид (Ingeo™ Biopolymer 4032D), що є продуктом полімеризації L- і D-форм лактиду (співвідношення від 24 : 1 до 32 : 1). Імплантати у вигляді гвинтів були створені за допомогою персонального 3D-принтера Ultimaker-3 (технологія друку методом наплавлення, товщина шару — 0,1–0,2 мм). Виготовлені винти з біополімеру імплантували в метадіафізарний та діафізарний дефекти стегнової кістки [14, 34]. Доведено, що цей матеріал є біосумісним, має високі остеоінтегративні якості, не викликає запалення в оточуючих м’яких тканинах та кістковому мозку, деструктивних змін кістки в ділянках імплантації. На кінцевий термін дослідження (270-та доба) імплантати з полілактиду зберігали форму, деградації біоматеріалу не встановлено, що дає змогу використовувати його довготривало.

В експерименті на тваринах в умовах фіксації перелому доведено, що пластинка з композиту L-лактиду, D-, L-лактиду, полігліколіду й триметиленкарбонату має високі якості: біосумісність, відсутність ділянок лізису кістки під пластинкою й відсутність негативного впливу на регенерацію [3]. В інших дослідженнях виявлено ангіогенну й остеогенну активність композитів на основі PLA [24, 67]. Таким чином, проведені експериментальні дослідження розширюють уявлення щодо взаємодії PLA та PLA-композитів із кістковою тканиною.

Використання імплантатів  із полілактиду в клінічній практиці

Як гвинти та фіксаційні штифти, пластини та анкери, кейджі важливе місце посідають PLA та PLA-композити, які розчиняються в біологічній рідини, деградують [21, 25, 43, 46], а потім виводяться з організму без токсичної дії на органи та системи [21, 25, 53, 55, 63]. Імплантати, виготовлені з PLA, імплантують у разі переломів у кістки колінного, гомілковостопного та ліктьового суглобів, плечову кістку, в міжтеловий проміжок хребта, кістки ступні, зап’ястку, таза, кістки вилиць та нижньої щелепи, тобто полілактиди знайшли своє місце в ортопедії, травматології та щелепно-лицьовій хірургії [21, 25, 40, 63, 66].

Визначено, що фіксація переломів матеріалами, які біодеградують, є ефективною, як і використання традиційних засобів (металів), однак вони мають і переваги — не потребують видалення, можуть мати керовану біодеградацію. Якщо раніше PLA розглядали як ідеальний біоматеріал для застосування в ділянках скелета, що не несуть навантаження [40], на сьогодні створення композитів на її основі дає можливість широко використовувати їх в кістковій хірургії.

Незважаючи на те, що в ортопедичній хірургії більше 30 років використовували полімери, які деградують, імплантати з них лише нещодавно почали застосовувати в разі операцій на хребті. Однак існує обмежений клінічний досвід із застосуванням PLA або PLA-композитів у хірургії хребта. Подані огляди літератури щодо використання в тварин та людини імплантатів з якостями біодеградації в хірургії хребта [59, 60]. Дослідження на тваринах продемонстрували успішну резорбцію імплантатів із часом, що супроводжувалася формуванням кісткового спондилодезу та деградацією кейджів у межтіловому проміжку хребта. Щодо досліджень у людини також доведено ефективність спондилодезу з використанням кейджів з якостями біодеградації. Відмічено безпечність та ефективність іх застосування. Позитивні результати були отримані з використанням кейджів із PLLA: PLDA у співвідношенні 70 : 30 (Hydrosorb, виробництва Medtronic Sofamor Danek, Memphis, TN). У 2002 році були наведені перші клінічні результати (60 пацієнтів) після проведення трансфорамінального міжтілового спондилодезу (TLIF) із використанням вертикальних циліндричних кейджів Hydrosorb із якостями біодеградації [30, 32]. Авторами не було відмічено ускладнень за терміном спостереження 4,7 міс. За оцінкою результатів через 12–18 міс., у хворих після проведення TLIF із використанням кейджів із рекомбінантним кістковим морфогенетичним білком (rhBMP2) висота міжтілового проміжку залишалася стабільною, спондилодез був досягнутий у 87 % пацієнтів за даними рентгенологічного дослідження та у 97 % — за даними комп’ютерної томографії [28]. Автори не визначили інфікування або ускладнень, пов’язаних із кейджами.

В іншому дослідженні у разі використання аналогічних кейджів у проведенні TLIF спондилодез був досягнутий у 96,8 % (30 з 31) пацієнтів після спостереження в середньому 18,4 міс. [10]. Однак у поданих роботах інформації щодо особливостей деградації кейджів не наведено.

Разом із позитивними результатами спондилодезу з використанням кейджів, що біодеградують, є дослідження, в якому проведено порівняльний аналіз кейджів на основі PLLA : PLDA у співвідношенні 70 : 30 із кейджами, виготовленими із вуглецевого волокна [56]. У цьому дослідженні авторами показано збільшення частоти незрощень (18,2 %) та післяопераційної міграції кейджів (18,2 %) у пацієнтів після TLIF.

Загалом дослідження технологій із використанням кейджів потребує тривалих періодів спостереження з відповідними групами контрольних пацієнтів.

Таким чином, на підставі аналізу наукових літературних джерел визначено, що результати експериментальних досліджень та клінічного використання PLA вказують на перспективність подальшого вивчення особливостей та різних модифікацій цього біоматеріалу. Властивості полімерних матеріалів, навіть якщо вони зроблені з однорідних компонентів сировини, залежать від виробничих процесів (наприклад, температури обробки, методу виготовлення та стерилізації тощо). Це забезпечує можливість розробки матеріалів та імплантатів із бажаними властивостями, тобто продукти, виготовлені з однієї сировини з використанням різних технологій, можуть мати неоднакові властивості, такі як різну міцність та терміни біодеградації. Тому порівняння даних або висновки щодо властивостей біоматеріалу не можуть просто базуватись на результатах випробувань, отриманих у разі дослідження інших продуктів, виготовлених з однієї сировини, якщо детальні методи обробки та інші параметри невідомі. Важливим напрямком досліджень є розробка та дослідження композитних біоматеріалів, що дає змогу створити імплантати з бажаними якостями — остеоінтеграції та керованої біодеградації. Безумовно, значний прогрес у виготовленні імплантатів досягнуто з використанням 3D-принтера. Цей новий напрямок в імплантології дає змогу вдосконалити підходи в створенні сучасних імплантатів та їх використання в клінічних умовах.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів при підготовці даної статті.