Perspectives of nanotechnologies in solution of actual questions of military-field surgery

Abstract

Full Text

Оцной из актуальных проблем военно-полевой хирургии является улучшение результатов лечения огнестрельных переломов длинных костей. Пристальное внимание к этой категории ранений объясняется необходимостью длительной и дорогостоящей реабилитации, низким процентом возвращения в строй, часто неудовлетворительными отдаленными функциональными результатами. Перспективным направлением поиска путей решения указанной проблемы служит углубленное изучение фундаментальных механизмов разрушения и восстановления костной ткани при воздействии поражающих факторов современного оружия. Это определяет необходимость расширения исследований в области раневой баллистики, посвященных изучению тонкой структуры костного матрикса как в норме, так и при огнестрельных переломах. В настоящее время активно разрабатываются методы лечения огнестрельных переломов, использующих стимуляцию направленной регенерации кости. При этом в качестве имплантата, замещающего костный дефект, широко используется гидроксиапатит. Под воздействием искусственного апатита восстанавливается пористая структура костной ткани, усиливается миграция остеобластов в зону регенерации, стимулируется рост кровеносных сосудов и формирование канальцевой системы кости. Тем не менее проблема эффективного срастания костных отломков остается во многом нерешенной. Это обусловлено неидентичностью структурных свойств экзогенного гидр- 3 «Военно-медицинский журнал», 5’2009 оксиапатита структурным характеристикам биоапатита, соответствующих типу регенерирующей кости, что, в свою очередь, способствует резорбции искусственного гидроксиапатита под воздействием ферментных систем организма. В значительной мере эффективность применения искусственного апатита сдерживает отсутствие способов адресной доставки его нанокристаллов в зону регенерации кости. Ограничивающими факторами современной имплантологии, использующей биоинженерные конструкции, являются низкие прочностные свойства таких имплантатов, формирование фиброзной капсулы, препятствующей остеоинтеграции, нарушение кровоснабжения в зоне регенерации. Для усиления остеоинтегрирующих свойств имплантатов используют биомиметические покрытия, которые также не лишены ряда недостатков. Среди них основными являются: низкая апатитообразующая способность, недостаточная развитость взаимосвязанных пор, низкая устойчивость к резорбции, растрескивание, фиброгенность и иммуногенность. Исследования пористой структуры биомиметических покрытий проводятся методом эллипсометрической поро-метрии. Метод основан на использовании эллипсометрии при снятии изотерм адсорбции-десорбции паров различных жидкостей (толуол, изопропанол, вода) в пористых пленках и позволяет проводить: - измерение на поверхности твердого тела толщины пленок различных материалов (в т. ч. поглощающих и анизотропных) в диапазоне от единиц до ты_ 33 ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ сяч нанометров с погрешностью вплоть до десятых долей нанометра; - измерение показателей преломления и поглощения с погрешностью ±0,005 в широком спектральном диапазоне; - исследование адсорбционно-де-сорбционных и других кинетических процессов с чувствительностью менее монослоя с высоким спектральным разрешением. Разработанное программное обеспечение для анализа эллипсометрических измерений позволяет из полученных изотерм определять оптические параметры нанесенных слоев, толщину, пористость и распределение пор по размерам. Использование эффектов биоминерализации может стать перспективным подходом для разработки новых методов управления структурой, химическим составом, кристалличностью, формой синтезируемых наночастиц, открывающим новые возможности для эффективной разработки наноструктурированных материалов, используемых в военно-полевой хирургии для лечения огнестрельных переломов длинных костей. Одним из наиболее важных принципов создания материалов для остеосинтеза и имплантации является воспроизведение характеристик костного матрикса. Известно, что его структурные свойства определяются не только химическим составом, но и трехмерной архитектоникой, фундаментальными параметрами которой являются соотношение поверхности к объему и наличие системы пор. Именно эти свойства матрикса индуцируют хемотаксические импульсы для остеогенных клеток, модулируют клеточную дифференцировку и прикрепление, обеспечивают врастание сосудов и определяют процессы минерализации и ремоделирования, а в конечном итоге - скорость регенерации костной ткани. Изучение наноструктурных и физико-химических механизмов разрушения кости при действии огнестрельных ранящих снарядов и разработка технологий направленной регенерации костной ткани, в т. ч. с использованием объемных био-инженерных конструкций, где основные образующие элементы имеют размеры в 34_ нанометровом диапазоне, требует применения прецизионных исследовательских технологий. Исходя из стандартизированного определения, под нанообъектом понимается объект, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и благодаря этому обладающий качественно новыми свойствами, в т. ч. заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками. В частности, к плотным одномерным нанообъектам можно отнести коллагеновые волокна 1-го типа, кристаллизующиеся ортофосфаты; к трехмерным - моно- и триклинные кристаллы гидр-оксиапатита. К гетероморфным одномерным нанообъектам относятся протяженные нитчатые структуры внутреннего скелета клеток, к двухмерным - поверхностные структуры в интерфейсах «вода-апатит», «вода-коллаген», в тем-платах «вода-апатит-коллаген». К гетероморфным трехмерным нанообъектам - сетевые коллагены базальных мембран и ажурные конструкции решеток Дес-цемета. К разряженным одномерным нанообъектам - продольные нанокапилляры и поперечные наноцистерны, формирующиеся в щелях между нитями тро-поколлагенов, нанощели и наноканальцы костного матрикса. К разряженным трехмерным нанообъектам - гидроклатраты Д-периодичности фибриллярных коллагенов кости, кожи, фасций и сухожилий. Исследование процессов разрушения кости при моделировании огнестрельных ранений проводили с применением методов атомно-силовой, сканирующей зондовой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Методами инфракрасной спектроскопии (ИКС) и дифференциальной сканирующей калориметрии в сочетании со структурной масс-спектроскопией изучены параметры химических связей в органической и неорганической фазах костного матрикса. Установлены параметры нанопористости костного матрикса, физические и структурные свойства воды в эталонных нанотрубках и интерстициальном флюиде костной ткани методами динамической ИКС высокого разреше- _«(Военно-медицинский журнал», 5’2009 ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ Рис. 1. Структура рельефа поверхности минерализованных коллагеновых волокон: а - с четко выраженной D-периодичностью (период 65-67 нм) и выступающими главными участками в виде ступенек высотой в пределах 100 нм в здоровой затылочной кости. Показатель адгезионной силы 6 нН; б - теменной кости в области пулевого входного отверстия. Участок полной дезинтеграции коллагеновых волокон. Показатель адгезионной силы 61 нН ния и спектроскопии ядерно-магнитного резонанса на атомах дейтерия, а также локальной спектроскопии комбинационного рассеяния и малоугловой нейтронной дифрактометрии на синхрофазотроне. Проведены прецизионные микро- и на-номеханические испытания костных образцов, прилегающих к раневым каналам, а также на отдалении от входных и выходных пулевых отверстий в точках интерференции ударных волн. Полученные результаты свидетельствуют о том, что характер деструкции костной ткани при воздействии высокоскоростных ранящих снарядов определяется ее структурными, физическими и микромеханическими свойствами. Установлено, что плоские кости черепа повреждаются преимущественно по вязкому типу с формированием дырчатых переломов с гладкими краями. При этом ведущими механизмами разрушения являются деформация смещения пластов и разрывы костного матрикса. Одновременно с этим при воздействии инденто-ра анатомические образования плоских костей черепа ведут себя по-разному: наружная кортикальная пластинка разрушается по более хрупкому варианту, а губчатое вещество проявляет свойства механического демпфера и сглаживает действие ударной волны, предохраняя разрушение внутренних анатомических слоев кости (рис. 1). Трубчатая кость в области диафиза разрушается преимущественно по хрупкому типу с формированием оскольча-тых переломов. Основным механизмом разрушения диафизов трубчатых костей являются лакунарно-кавернозные деформации костного матрикса. Показано, что общим в механизмах разрушения обоих типов костной ткани является пористая трансформация костного матрикса с образованием нано-, мезо- и микропор (рис. 2). Рис. 2. Морфогенез огнестрельных ранений трубчатых костей по данным сканирующей электронной микроскопии «Военно-медицинский журнал.», 5’2009. 35 ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ Кроме того, гидроксиапатит как в плоских, так и в трубчатых костях вследствие воздействия высокоскоростных ранящих снарядов подвергается аморфиза-ции, что свидетельствует, прежде всего, об уменьшении размеров его нанокристаллов. Одновременно с этим регистрируются рентген-дифрактометрические признаки увеличения напряженности в кристаллической решетке апатита, а по данным ИКС в кристаллах гидроксиапатита выявлены дислокации в виде понижения локальной симметрии. В целом, как свидетельствуют результаты ИКС, в кристаллизованном фосфате кальция костных образцов после огнестрельных ранений наблюдаются признаки разрыва химических связей между Ca-O и перераспределение электронной плотности, обусловленное усилением связи P-O. В результате разрушение структуры гидроксиапатита сопровождается его декальцинацией. Эти процессы развиваются на фоне защела-чивания костной интерстициальной жидкости, в которой регистрируется более значительное количество связанной воды, что, в свою очередь, способствует росту гид-рофильности нанокристаллов апатита. Определяющее значение имеет и топологический фактор. Описанные выше структуры, и прежде всего лакунарнокавернозные, морфологически практически не связаны с системой костных канальцев, располагаются преимущественно в глубинах костного матрикса. Это указывает на то, что в формировании указанных деформаций существенную роль играет вода, циркулирующая как в самом цементе костного матрикса, так и в коллаген-апатитовом интерфейсе. В этой связи особый интерес представляют исследования физических и структурных свойств воды в нанопористых объектах соединительной ткани. Трансформацию нанопор в более крупные щели и пространства позволяет объяснить модель бимодальности водных подсистем коллагена. Возможно, что в условиях выраженных градиентов давлений, обусловленных действием энергии ударной волны при образовании временной пульсирующей полости, нановода испытывает сложные фазовые переходы. При этом неизбежно уменьшается роль воды как фундаментального морфогенетического фактора в кости и соединительной ткани в целом. Используемый системный методологический подход, основанный на применении исследовательских нанотехнологий, позволяет получить новые сведения о фундаментальных структурных и физико-химических механизмах разрушения костной ткани при действии высокоскоростных ранящих снарядов, а также разработать технологии управляемой регенерации костной ткани путем применения био-инженерных конструкций с биомимети-ческим покрытием для лечения огнестрельных переломов костей конечностей.