Введение
Связь между живой костью и поверхностью искусственного имплантата
Остеоинтеграция (от латинского osseus – "костный" и integrare – "соединять в целое") – это прямая структурная и функциональная связь между живой костью и поверхностью искусственного имплантата, воспринимающего нагрузку ("воспринимающего нагрузку" в определении Albrektsson et al., 1981). Более современное определение (Schroeder et al.) описывает остеоинтеграцию как "функциональный анкилоз (костное сращение)", при котором новая костная ткань формируется непосредственно на поверхности имплантата, а имплантат проявляет механическую стабильность (то есть устойчивость к дестабилизации под воздействием механических колебаний или сдвиговых сил). Остеоинтеграция значительно расширила возможности в области хирургии замены костей и суставов, стоматологической имплантологии и совершенствования протезирования для ампутированных.
История
Остеоинтеграция была впервые отмечена, хотя и не сформулирована явно, Боте, Битоном и Давенпортом в 1940 году. Боте и соавторы были первыми исследователями, имплантировавшими титан животному и отметившими его склонность к срастанию с костью. Левентал поместил титановые винты в бедренную кость крысы и отметил: "К концу 6 недель винты были немного плотнее, чем при первоначальной установке; к 12 неделям винты было сложнее извлечь; а к концу 16 недель винты были настолько плотно зафиксированы, что у одного образца бедренная кость была сломана при попытке их удаления. Микроскопическое исследование структуры кости не выявило реакции на имплантаты, трабекулярная структура оставалась совершенно нормальной". В 1965 году Бранмарк, в то время профессор анатомии в Гетеборгском университете, имплантировал зубные имплантаты первому пациенту – Гёсте Ларссону. У этого пациента был врожденный дефект расщелины нёба, и ему требовались имплантаты для поддержки нёбной обтурации. Гёста Ларссон умер в 2005 году, а оригинальные имплантаты оставались на месте после 40 лет функционирования. 7 декабря 2015 года два ветерана операций "Иракская свобода" и "Неустанная свобода", Брайант Джейкобс и Эд Салау, стали первыми в Америке, получившими перкутанный остеоинтегрированный протез. На первом этапе врачи из больницы для ветеранов в Солт-Лейк-Сити ввели титановый стержень в бедренную кость каждого пациента. Примерно через шесть недель они вернулись и прикрепили к протезу соединительный механизм. В 2021 году профессор Аль Мудерис опубликовал диссертацию для получения степени доктора медицинских наук, посвященную остеоинтеграции у ампутированных: прошлое, настоящее и будущее, фундаментальные науки, инновации в хирургической технике, дизайн имплантатов и стратегии реабилитации.
Механизм
Остеоинтеграция – это динамический процесс, в котором характеристики имплантата (т. е. макрогеометрия, свойства поверхности и т. д.) играют роль в модуляции молекулярного и клеточного поведения. Хотя остеоинтеграция наблюдалась при использовании различных материалов, она наиболее часто используется для описания реакции костной ткани на титан или титан, покрытый производными фосфата кальция. Ранее полагали, что титановые имплантаты удерживаются в кости за счет механической стабилизации или межфазного соединения. Альтернативно, считалось, что имплантаты, покрытые фосфатом кальция, стабилизируются посредством химической связи. Теперь известно, что как имплантаты, покрытые фосфатом кальция, так и титановые имплантаты химически стабилизируются с костью, либо посредством прямого контакта между атомами кальция и титана, либо за счет соединения с цементной линией на границе имплантата и кости. Несмотря на некоторые различия (например, отсутствие хондрогенных предшественников), остеоинтеграция происходит по тем же механизмам, что и заживление переломов костей.
Техника
Для остеоинтегрированных зубных имплантатов использовались металлические, керамические и полимерные материалы. Для того чтобы процесс можно было назвать остеоинтеграцией, соединение между костью и имплантатом не обязательно должно быть 100%-ным; суть остеоинтеграции заключается скорее в стабильности фиксации, чем в степени контакта при гистологическом исследовании. Иными словами, это процесс, при котором достигается и поддерживается клинически бессимптомная жесткая фиксация аллопластических материалов в кости во время функциональной нагрузки. Время приживления имплантата и его начальная стабильность зависят от характеристик имплантата. Например, имплантаты с винтовой корневой формой достигают высокой начальной механической стабильности за счет действия винтов на костную ткань. После установки имплантата заживление обычно занимает несколько недель или месяцев, прежде чем имплантат полностью интегрируется в кость. Первые признаки интеграции появляются через несколько недель, а более прочное соединение формируется постепенно в течение последующих месяцев или лет. Имплантаты с винтовой корневой формой приводят к резорбции кости, за которой следует ремоделирование и рост костной ткани вокруг имплантата. Имплантаты с платформенной корневой формой (или винтовые имплантаты с достаточно большим расстоянием между витками) подвергаются иному типу периимплантной оссификации. В отличие от вышеупомянутых имплантатов с винтовой корневой формой, имплантаты с платформенной корневой формой демонстрируют de novo (новое) образование кости на поверхности имплантата. Тип костного заживления, наблюдаемый при использовании имплантатов с платформенной корневой формой, известен как внутримембранозное заживление. В исследованиях с использованием "мини-дентальных имплантатов" было отмечено, что отсутствие микродвижений на границе кости и имплантата необходимо для обеспечения надлежащей остеоинтеграции. Также было установлено, что существует критический порог микродвижений, превышение которого приводит к процессу фиброзной инкапсуляции, а не к остеоинтеграции. Другие осложнения могут возникать даже при отсутствии внешнего воздействия. Одной из проблем является рост цемента. В норме отсутствие цемента на поверхности имплантата препятствует прикреплению коллагеновых волокон, что обычно происходит из-за отсутствия клеток-предшественников цемента в области имплантации. Однако, если такие клетки присутствуют, цемент может формироваться на поверхности или вокруг имплантата, к которому может прикрепляться функциональное коллагеновое соединение.
Достижения в области материаловедения: металлические пены
С 2005 года ряд производителей ортопедических устройств представили изделия с пористой металлической структурой. Клинические исследования на млекопитающих показали, что пористые металлы, такие как титановая пена, могут способствовать формированию сосудистой системы внутри пористой области. Для ортопедического применения часто используются такие металлы, как тантал или титан, благодаря их высокой прочности на растяжение, коррозионной стойкости и отличной биосовместимости. Процесс остеоинтеграции в металлических пенах схож с процессом, происходящим при использовании костных трансплантатов. Пористая структура, напоминающая костную ткань, способствует активному врастанию кости и обеспечивает возможность остеобластной активности. Кроме того, пористая структура обеспечивает прикрепление мягких тканей и васкуляризацию внутри имплантата. В настоящее время эти материалы применяются при операциях по эндопротезированию тазобедренного и коленного суставов, а также при установке зубных имплантатов.
Процедуры испытаний
Существует ряд методов, используемых для оценки уровня остеоинтеграции и последующей стабильности имплантата. Один из широко используемых методов диагностики – перкуссионный анализ, при котором стоматологическим инструментом постукивают по носителю имплантата. Характер возникающего звука используется как качественная оценка стабильности имплантата. Остеоинтегрированный имплантат издает более высокий, «кристальный» звук, в то время как неинтегрированный – глухой, низкочастотный звук. Другой метод – тест обратного момента вращения, при котором носитель имплантата откручивают. Если имплантат не откручивается под давлением обратного момента, он считается стабильным. Если имплантат вращается под давлением, он признается неудачным и удаляется. Этот метод сопряжен с риском перелома кости, находящейся в процессе остеоинтеграции. Неинвазивным и все более распространенным методом диагностики является анализ частоты резонанса (RFA). Эта «осеоперцепция» означает, что пользователь протеза восстанавливает более точное ощущение взаимодействия протеза с окружающей средой. Например, пользователи протезов нижних конечностей, закрепленных на кости, сообщают, что благодаря осеоперцепции могут определять тип поверхности, по которой они идут. Недавние исследования пользователей протезов верхних и нижних конечностей, закрепленных на кости, показали, что эта осеоперцепция опосредуется не только механорецепторами, но и слуховыми рецепторами. Это означает, что пользователи не только чувствуют механическое воздействие на устройство, но и слышат движения своего протеза. Это совместное механическое и слуховое сенсорное восприятие, вероятно, обеспечивает улучшенное восприятие окружающей среды у пользователей остеоинтегрированных протезов по сравнению с традиционными протезами с гильзой. Однако степень влияния этой неявной сенсорной обратной связи на пользователей протезов в повседневной жизни пока неясна.