Сегодня в медицине используется более нескольких тысяч различных имплантатов – от кардиостимуляторов, сердечных клапанов, искусственных хрящей и межпозвоночных дисков до катетеров и искусственных суставов. Для их производства применяются титан, керамика, силикон и полимеры, включая полиуретан, выбор материала зависит от конкретного назначения . Даже высококачественные материалы, вне зависимости от расположения протеза и цели его использования, провоцируют иммунный ответ, который называется «реакцией на инородное тело». В результате вокруг имплантата формируется плотная капсула из соединительной ткани, что приводит к хроническому воспалению и, в некоторых случаях, к инфекциям. Исследования показывают, что до 30% осложнений после имплантации связаны с этим явлением. Для предотвращения этого пациентам может быть назначено специальное лечение, которое приглушает иммунную систему, снижая её реакцию на имплантат. Однако подобный подход может привести к ослаблению организма и повысить риск заражения вирусными заболеваниями. Специалисты Пермского Политеха и Уро РАН разработали метод обработки имплантатов ионным пучком, который делает материал протеза «невидимым» для иммунной системы. Согласно результатам тестирования, это позволило уменьшить количество воспалительных клеток в 5–12 раз.
Статья опубликована в журнале «Material, Design and Biological Studies of Bones & Implants». Исследование профинансировано правительством Пермского края, грант № С-26/875.
В современной медицине имплантаты широко применяются для замены пораженных тканей и восстановления утраченных функций организма. К наиболее часто используемым относятся искусственные суставы, такие как тазобедренные и коленные, кардиостимуляторы, зубные имплантаты, протезы грудных и сосудистых клапанов, а также сетки для устранения грыж.
После попадания искусственного имплантата в организм, его поверхность немедленно покрывается слоем естественных белков, выделяемых из окружающих тканей. При соприкосновении с искусственным материалом эти белки незначительно изменяют свою структуру, адаптируясь к чужеродной поверхности. Это вызывает реакцию иммунной системы, выступая в роли своеобразного «сигнала тревоги.
Имплантат распознается специализированными клетками иммунной системы (макрофагами и нейтрофилами), что приводит к запуску защитных реакций. Организм воспринимает имплантат как потенциальную угрозу и инициирует защитную «атаку», вызывая воспаление. В результате вокруг инородного тела формируется плотная капсула из соединительной ткани. Этот универсальный механизм защиты активируется при контакте с любым искусственным материалом, например, с медицинской сталью, пластиком, керамикой или полиуретаном.
Использование традиционных подходов к предотвращению воспаления сопряжено с нежелательными последствиями. Одним из распространенных примеров является иммуносупрессивная терапия. Этот метод предполагает временное подавление иммунной системы, чтобы она не направляла свои атаки на собственные ткани организма и трансплантированные органы. Однако, это делает человека более восприимчивым к инфекциям. В связи с этим, исследователи по всему миру стремятся разработать материалы, которые не будут распознаваться иммунной системой и будут восприниматься как собственные».
Специалисты ПНИПУ разработали метод модификации поверхности имплантатов путем воздействия на нее высокоэнергетических ионов азота. Данная обработка приводит к изменению структуры материала, формируя на поверхности уникальные микроскопические молекулярные образования. Эти структуры выполняют функцию своеобразных «якорей», обеспечивающих надежное связывание с белками организма. Благодаря этому, иммунные клетки не распознают имплантат как инородное тело и не инициируют иммунный ответ.
Метод применим для изготовления протезов из различных материалов, однако для оценки его эффективности были выбраны образцы из полиуретана, благодаря удобству обработки ионной плазмой. Имплантаты данного типа широко используются в сердечно-сосудистой хирургии (искусственные клапаны, сосудистые стенты), урологии (катетеры), травматологии (мягкие протезы) и даже в косметологии (филлеры).
– В ходе экспериментов, проведенных на лабораторных мышах, имплантировали полиуретановые диски, как обработанные, так и необработанные. Через месяц и через пять месяцев оценивалась реакция тканей, определялась толщина соединительнотканной капсулы, формирующейся вокруг имплантатов. Также было подсчитано количество иммунных клеток, что позволило оценить выраженность воспалительного процесса, – рассказывает Валерий Литвинов, старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат медицинских наук.
Полученные данные свидетельствуют о том, что имплантаты, подвергнутые ионной имплантации, спровоцировали менее выраженную реакцию тканей. Толщина фиброзной капсулы, формирующейся вокруг обработанных имплантатов, оказалась в 2–4 раза меньше по сравнению с необработанными. При этом концентрация воспалительных клеток уменьшилась в 5–12 раз. Определена оптимальная доза облучения, составляющая приблизительно 10¹⁵ ионов/см². Более интенсивная обработка способна повредить поверхность материала и ухудшить результат.
Специалисты подчеркивают, что имплантат следует устанавливать немедленно после подготовки, чтобы обеспечить наилучший результат. Длительное хранение приводит к уменьшению активности поверхности, поэтому необходимо сократить интервал между обработкой и хирургическим вмешательством.
Новое исследование, проведенное специалистами Пермского Политеха и Уральского отделения РАН, позволит продлить срок эксплуатации имплантатов и уменьшить вероятность возникновения осложнений у пациентов. В настоящее время данная технология может использоваться в кардиологии, ортопедии и пластической хирургии, а в будущем – будет адаптирована для применения с другими биосовместимыми материалами.