Переломы шейки бедра, челюсти, рак костей – во всех этих случаях нужны имплантаты, которые заменяют человеческую кость или суставы. Пермские учёные разработали эндопротезы, которые организм воспринимает как родную кость, при этом прочность их сравнима с крепостью алмаза.
О том, как создавали уникальные имплантаты и материал для них, который делает искусственные суставы вечными, рассказал заслуженный врач России, доктор медицинских наук, профессор Пермского государственного медицинского университета им. Вагнера Александр Денисов.
История открытий
Наталья Стерледева, «АиФ-Прикамье»: Александр Сергеевич, когда в России начали создавать отечественные протезы суставов? С чего всё началось?
Александр Денисов: В 1980-е годы отечественных протезов суставов в стране не производили. Их приходилось закупать за рубежом. Но в клиниках они были очень нужны. Ведь при переломах шейки бедра, когда части кости не срастаются, протез – незаменимая вещь. В то время модель и материал для протезов искали учёные всего мира. И мы в России пытались создать собственную технологию их производства. Первые отечественные протезы из нержавеющей стали были созданы в Санкт-Петербурге. Но надежд новинка не оправдала – не выдержала клинических испытаний. Все протезы вылетали, ломались или вызывали нагноения. Потом были второе и третье поколение протезов из нержавейки. И они были неидеальны. Мне как практикующему хирургу приходилось оперировать с ними. Применять их было сложно – возникало много осложнений.
– Какие могут быть осложнения при протезировании?
– Вариантов тут много. Приходится вмешиваться в крупный массив ткани, и поэтому иногда возникает тромбоэмболия – во время или после операции. И дело не в протезе, а в травматичности самого хирургического вмешательства. Возможны переломы самого протеза и переломы костей при уже внедрённом имплантате. Происходит это потому, что протезы из металла жёсткие и модуль упругости у них намного выше, чем у натуральной кости. Поэтому он легко расшатывается и оказывает воздействие на кость. И кость в итоге ломается. Кроме того, металлы, из которых делают протезы, поддаются коррозии. Наконец, возможны различные электрические коллизии (например, электролиз). Пытаясь преодолеть эти трудности, институты всей страны вели исследования. Искали идеальную конструкцию протеза. Особое внимание обращали на ножку, с помощью которой протез крепится в кости. Её выполняли и круглой, и плоской, и с жёлобом, и бугристой. В конечном итоге родилась оптимальная модель искусственного сустава.
– Она анатомически повторяет настоящий сустав?
– Сейчас уже нет. Да, изначально мы пробовали полностью воспроизвести сустав – имитировать капсулу и синовиальную жидкость. В опытах на животных пробовали применять в искусственном суставе полиуретановые капсулы, заливали в них вместо синовиальной жидкости силикон (который используют в косметической медицине). Но, в конце концов, пришли к выводу, что это не даёт ощутимых результатов. Нет никакой необходимости точно воспроизводить то, что создала природа. Природа опытнее, чем мы, эти органы она создавала миллионы лет.
Вечный протез
– Нашли в итоге идеальную модель протеза?
– В итоге во всём мире появились эндопротезы одного типа с некоторыми нюансами. Разобрались с конструкцией, стало понятно, что нужно усовершенствовать материал, из которого делают протез. Было ясно, что жёсткие протезы с высоким модулем упругости не годятся. Стали искать другие материалы. Готовили сплавы из нержавейки, экспериментировали с разными металлами. Были даже попытки сделать протезы из серебра и золота, из керамики. Но приблизиться к модулю упругости, который имеет натуральная кость, не удавалось. Наконец одно из оборонных предприятий Пермского края предложило нам применить композиционный материал, который на 99,9% состоит из чистого углерода. Его состав не близок к составу человеческой кости. А вот к составу тканей человека такой композит очень близок, ведь ткани в значительной степени состоят из углерода. Мы попробовали этот материал, испытали на животных, и оказалось, что он идеально нам подходит – ткани его не отторгают.
Раньше вокруг имплантата возникала капсула, которой организм отгораживался от инородного тела, теперь такого не происходит. Возникает прямое соединение кости и имплантата. И, что самое удивительное, ткань кости даже врастает в неровности протеза. Возникла мысль – может быть, поры в протезе нужно делать целенаправленно? Так появился высокопористый ячеистый углерод. В этот материал кость врастает – и появляется не просто контакт кости с углеродным материалом, а прочный блок «кость – имплантат». Через год после операции на рентгене практически не видно разницы между имплантатом и структурой кости.
Кость врастает в протез и появляется не просто контакт кости с углеродным материалом, а прочный блок «кость – имплантат». Через год после операции на рентгене практически не видно разницы между имплантатом и структурой кости.
– Как проводились первые опыты по вживлению этих протезов?
– Сначала мы испытывали эти протезы на животных – на кроликах и собаках. И осложнений практически не было. Эксперименты на животных позволили выявить преимущества этого материала. Получив подтверждение безопасности модели, мы стали оперировать людей. С протезами из ячеистого углерода мы провели уже около 1000 операций. И лишь в двух случаях рана у пациентов нагноилась. Но и тогда гнойные раны мы лечили, не убирая имплантат (для сравнения: в случае с нержавейкой протез приходилось убирать, чтобы рана зажила).
– В каких случаях можно применять такие протезы?
– Мы уже применяем их при артрозах, дефектах костей и суставов. Часто кости приходится удалять при раковых заболеваниях. Теперь есть возможность ставить в таких случаях имплантат. Оперировать с этим материалом удобно – он легко стерилизуется любым способом – и жидкостями, и в автоклаве, и кипячением, и химическими веществами. Его можно резать скальпелем, сверлить.
– Сколько лет можно использовать такие имплантаты?
– Судя по параметрам и составу материала, он должен быть вечным. Прочность его сравнима с крепостью корунда и алмаза.
– Этот материал подходит для любых костей организма?
– Да, его очень успешно используют стоматологи. Лицевые кости почти все губчатые и пористый материал для лицевой хирургии очень хорошо подходит (благодаря такой же пористости наших природных костей, певцы могут усиливать свойства своего голоса).
Корабль-призрак
– Как началось ваше сотрудничество с Министерством обороны?
– С Министерством обороны мы сотрудничаем давно. Ещё в советское время по заявке Минобороны мы решали одну из важнейших проблем – разрабатывали хирургическую тактику при сочетанных травмах груди. В стране создали рабочую группу по этому вопросу, я входил в неё вместе с другими учёными. Схему лечения мы разработали. Эту работу высоко оценили: все мы, разработчики, стали лауреатами государственной премии.
– Где ещё можно использовать углеродный материал?
– В космосе, на аппаратах подводного базирования. Обычно этим материалом выкладывают поверхность двигателей. Он инертен и не поддаётся воздействию воды и других сред. В оборонной промышленности ценно и то, что этот материал не улавливают локаторы.
Углеродный материал не улавливают локаторы военной техники.
– Значит, из него можно создать полностью невидимый для локаторов корабль?
– Теоретически, да. Можно создать корабль-призрак. Но, думаю, пока не все детали можно выполнить из этого материала.
– Над чем вы собираетесь работать дальше?
– Планируем строить завод по производству углеродных протезов в одном из городов Пермского края. Документация уже готова, землю нам предоставили. Президент РФ уже встречался с инженерами и рекомендовал построить завод. Этот завод должен выпускать до 30 тыс. углеродных эндопротезов в год.
Пермские биотехнологи из политеха изобрели антибиотик из человеческой крови 
В Пермском крае будут готовить биологов для изучения Арктики и Субарктики 
Пермячка подала в суд на больницу после неудачной пластической операции 
В Прикамье с отказавшей пациентке в операции больницы взыскали 200 тысяч 
Разработка пермских учёных поможет проводить операции на сердце детям