Имплантат, который должен исчезнуть: как магний меняет хирургию

10 сентября в Технопарке Медтеха в рамках научно-просветительского проекта «Курилка Гутенберга» прошла лекция «Почему не всё должно быть «навсегда»: биорезорбция в практической медицине». Корреспондент Первого студенческого агентства побывала на встрече и узнала, зачем медицине нужны конструкции, способные растворяться в организме.

О разработке биорезорбируемых имплантатов рассказала Елена Евгеньевна Невская — сотрудник лаборатории медицинской биорезорбции и биорезистентности и заместитель председателя Студенческого научного общества Российского университета медицины Минздрава России.

«Если конструкция нужна не навсегда, почему же она остаётся?», — с этого вопроса Елена Невская начала разговор.

После переломов и реконструктивных операций кости нередко фиксируют пластинами и винтами из титана или нержавеющей стали. Эти материалы прочны, но иногда после заживления конструкции приходится удалять. Пациенту вновь нужны операция, анестезия и реабилитация. Особенно важна эта проблема в детской травматологии: организм растёт, а установленный металл остаётся прежнего размера. Постоянные конструкции также могут создавать помехи при диагностике и лечении других заболеваний.

Альтернатива — имплантат, который поддерживает ткани только до их восстановления, а затем постепенно растворяется. Речь идёт не о дентальном имплантате, заменяющем корень зуба, а о временных винтах, пластинах, пинах и мембранах для фиксации костей и направленной костной регенерации.

Почему именно магний

Первые биорезорбируемые конструкции создавали из полимеров. Однако их механической прочности хватает не для всех клинических задач. Хирургам требовался материал, который выдерживает нагрузку как металл, но не остаётся в организме навсегда.

Одним из таких материалов стал магний. Его механические свойства ближе к свойствам костной ткани, чем у титана и стали. Это позволяет уменьшить эффект стресс-экранирования: слишком жёсткая конструкция принимает нагрузку на себя, из-за чего окружающая кость может ослабевать.

После растворения магний переходит в ионную форму и включается в естественные обменные процессы. При этом задача учёных — добиться не просто исчезновения имплантата, а управляемой биорезорбции. Конструкция должна сохранять прочность, пока кость срастается, и терять её только тогда, когда организм уже способен обходиться без дополнительной фиксации.

Для некоторых изделий, применяемых в челюстно-лицевой хирургии, исследователи ориентируются на сохранение механических свойств в первые два месяца и последующую резорбцию в течение шести–восьми месяцев. Но единый срок установить нельзя: он зависит от состава сплава, размера и формы конструкции, покрытия и области применения.

Как замедлить металл

Магний химически активен. В физиологической среде он быстро вступает в реакцию, а процесс сопровождается выделением водорода. Если металл растворяется слишком быстро, вокруг имплантата могут образовываться газовые полости.

Чтобы управлять скоростью биорезорбции, учёные работают сразу с несколькими параметрами. Они меняют состав сплава и его микроструктуру, наносят защитные покрытия, уменьшают толщину изделий и корректируют их дизайн. Требуется найти баланс: материала должно быть достаточно для надёжной фиксации, но не настолько много, чтобы резорбция шла слишком долго или сопровождалась значительным газообразованием.

Эту задачу решает междисциплинарная команда врачей, материаловедов, инженеров, биологов и микробиологов. Магниевые сплавы разрабатываются совместно со специалистами Университета науки и технологий МИСИС. Исследования проходят путь от лабораторных образцов и экспериментов на животных до клинического применения.

Когда лабораторная модель не работает

Одним из главных открытых вопросов стало различие между результатами in vitro и in vivo. В растворе образец может растворяться с одной скоростью, а в живом организме — совсем с другой. На процесс влияют кровоснабжение, обмен веществ, состав биологических жидкостей, сопутствующие заболевания и индивидуальная реакция тканей.

Первые клинические наблюдения также показали, что у разных пациентов биорезорбция протекает неодинаково. Поэтому исследователи хотят создать математическую модель, которая позволит ещё до операции прогнозировать поведение имплантата в организме конкретного человека.

Переход к клиническому этапу потребовал одобрения локального этического комитета. Одним из первых направлений стало применение магниевых фиксирующих элементов при направленной костной регенерации. Во время таких операций винт удерживает мембрану, под которой формируется новая костная ткань. По мере восстановления необходимость в фиксации исчезает — вместе с самим изделием.

Первые клинические испытания разработок прошли на базе Российского университета медицины. По опубликованным данным, магниевые конструкции применили более чем у 20 пациентов во время челюстно-лицевых операций. Выраженных осложнений, связанных с резорбцией имплантатов, не наблюдали. Однако для окончательной оценки технологии необходимы более крупные исследования и длительное наблюдение.

От винта до персональной конструкции

Разработчики уже создали прототипы винтов, пластин и барьерных мембран. Отдельная задача — инструменты для их установки. Даже форма головки винта имеет значение: она должна помогать врачу контролировать усилие и не повреждать сравнительно мягкий материал.

Исследователи изучают и возможности трёхмерной печати. Работа с магнием оказалась непростой: горючий металл требует особых условий производства. Тем не менее первые образцы удалось напечатать. В будущем технология может помочь создавать персонализированные конструкции для сложных переломов и реконструктивных операций.

Потенциальное применение биорезорбируемых материалов не ограничивается челюстно-лицевой хирургией. Их исследуют для ортопедии, детской травматологии и сосудистой хирургии. Общий принцип остаётся прежним: изделие выполняет свою функцию, а затем исчезает, избавляя пациента от постоянной конструкции и повторного вмешательства.

История магниевых имплантатов показывает, что научный проект редко развивается по заранее известному маршруту. Эксперименты ставят новые вопросы, результаты на животных не всегда повторяются у человека, а удачное решение одной проблемы открывает несколько следующих.

«Вам необязательно знать, куда идти. Главное — знать тот вопрос, на который вы хотите получить ответ», — завершила лекцию Елена Невская.

Именно этот вопрос — как создать надёжную конструкцию, которая вовремя исчезнет, — продолжает вести исследователей от лабораторного образца к медицинской технологии.