По причине демографических изменений в развитых странах, в частности, растущего процента пожилых людей в общей численности населения, увеличивается количество пациентов с дегенеративными заболеваниями костей и суставов. Данная тенденция обусловила возникновение возрастающей потребности в замене или восстановлении тазобедренных, коленных и других суставов искусственными материалами, включая полимеры, металлические сплавы и керамику. Ультравысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE) – это полимер, имеющий наиболее широкое применение в протезировании суставов, более скромное место принадлежит полиэфир-эфиркитону (PEEK) и нескольким другим конструкционным пластмассам.

По причине демографических изменений в развитых странах, в частности, растущего процента пожилых людей в общей численности населения, увеличивается количество пациентов с дегенеративными заболеваниями костей и суставов. Данная тенденция обусловила возникновение возрастающей потребности в замене или восстановлении тазобедренных, коленных и других суставов искусственными материалами, включая полимеры, металлические сплавы и керамику. Ультравысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE) – это полимер, имеющий наиболее широкое применение в протезировании суставов, более скромное место принадлежит полиэфир-эфиркитону (PEEK) и нескольким другим конструкционным пластмассам.
К полимерам и другим материалам, применяемым для искусственных суставов, предъявляются строгие требования. Они должны обладать высокой прочностью и износостойкостью, чтобы выдерживать многократные физические нагрузки в течение многих лет. Они также должны быть биологически и химически инертными. Развитие полимерных материалов для искусственных суставов происходит не революционным, а, скорее, эволюционным путем благодаря осторожности, проявляемой медицинским сообществом в отношении возможных длительных вредных побочных действий новых имплантатов.

Рынки
По данным консультантов агентства Frost & Sullivan, «быстрое старение» европейского населения будет способствовать росту рынка протезирования тазобедренных и коленных суставов в этом регионе предположительно с 1,40 миллиардов долларов США в 2004 году до 1,83 млрд в 2010. Frost & Sullivan сообщает, что годовой среднегеометрический темп роста затрат на протезирование тазобедренных суставов в Европе составит 3,7%, а рост затрат на протезирование коленных суставов - 5,7%.
Рост американского рынка протезирования суставов происходит медленнее: затраты на замену тазобедренных и коленных суставов увеличатся на 1,8% и 2,1% соответственно. (По имеющимся сведениям, общая стоимость ортопедических имплантатов в США в 2003 году составила 4,9 миллиарда долларов). Тем не менее, Frost & Sullivan считает азиатско-тихоокеанский регион (Китай, Япония, Индия, Южная Корея, Австралия) самым быстро развивающимся в отношении протезирования суставов. Сообщается, что ежегодный объем протезирования тазобедренных и коленных суставов в этом регионе увеличится на 11% и 23% соответственно.

Тазобедренные суставы
Тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава производится в случаях, когда перелом или дегенеративные состояния, такие как остеоартроз, разрушают тазобедренный сустав настолько, что создается серьезная угроза для подвижности пациента. Хирургия эндопротезирования суставов или артропластика предусматривает замену верхней части бедра (бедренной кости) и установку этой части в искусственную тазовую полулунную пластину, известную как ветлужная впадина (чашка). Как правило, бедренный стержень производится из кобальто-хромовых или титановых сплавов, а шарообразная головка бедренной кости, которая устанавливается в ветлужную чашку, состоит из кобальто-хромового сплава или керамики, например, шлифованного оксида алюминия. Сама ветлужная чашка обычно состоит из полусферы UHMWPE, которую можно имплантировать прямо в таз или размещать внутри металлической раковины, имплантируемой в таз.
Благодаря своим полезным свойствам, UHMWPE уже в течение 30 лет является стандартным материалом для производства ветлужных чашек. Среди этих свойств можно перечислить низкий коэффициент трения, высокую устойчивость к химическим воздействиям, устойчивость к растрескиванию под напряжением, размерную стабильность, высокую ударную вязкость образца с надрезом, хорошее энергопоглощение при повторных напряжениях. (От предшествующего материала для тазобедренных имплантантов – фторопласта – пришлось отказаться из-за его недостаточной прочности). Для ортопедических имплантов UHMWPE обычно производится из листов или стержней изготовленных путем прямого прессования или плунжерной экструзии.

Таблица 1: Стандартные свойства используемого для медицинских имплантантов сорта ULMWPE (Ticona GUR 1020).

Несмотря на широкое применение, UHMWPE, по крайней мере, в исходном состоянии, нельзя назвать идеальным материалом для тазобедренных имплантантов. Постоянные нагрузки на контактные поверхности головки и ветлужной впадины вызывают истирание и износ полимера. Износ может оказаться настолько серьезным, что в течение 10 – 20 лет требуется замена всего искусственного сустава. С 1998 года внедряются новые сорта густосетчатого UHMWPE, которые значительно улучшили износостойкость полимера в искусственных суставах. Поперечное сшивание достигается путем воздействия на полимер гамма-лучей или электронно-лучевого излучения. (Небольшие дозы излучения, при которых сетка не образуется, обычно используются для стерилизации UHMWPE, применяемого для имплантации). Последние клинические исследования показали, что при использовании густосетчатого UHMWPE в качестве импланта суставов степень его износа на 65-85% ниже, чем обычного полимера.

Рисунок 1: В искусственном бедре полиэтилен применяется для суставной впадины (ветлужной чашки).

Полиметилметакрилат (PMMA) иногда применяется как цементирующий материал для фиксации компонентов во время операции по эндопротезированию. Как правило, предварительно приготовленная смесь наносится и затвердевает на месте. После отверждения она становится крепкой, но ломкой.
Некоторые сорта PEEK были разработаны для протезирования бедренной ножки. РЕЕК также исследуется в качестве возможного износостойкого материала для изготовления ветлужных чашек в бедренных суставах.

Коленные суставы
При эндопротезировании коленного сустава поврежденные или пораженные части большеберцовой кости (голени), нижней части бедра и коленной чашки (надколенника) заменяются протезами, изготовленными из искусственных материалов. В части большеберцовой кости устанавливается плоская металлическая поверхность, покрытая энергопоглощающим полимерным слоем, как правило, UHMWPE. Феморальный (бедренный) компонент представляет собой выгнутый металлический сплав, обычно титановый или из кобальта и хрома, который крепится на конце бедренной кости. В нем предусмотрена борозда, которая дает возможность искусственному надколеннику двигаться при сгибе коленного сустава. Компонент надколенника сустава представляет собой куполообразный элемент из UHMWPE, повторяющий форму коленной чашки.

Рисунок 2: Металлический и пластмассовый коленный сустав, применяемый для соединения бедренной и большеберцовой кости.

Коленные суставы с использованием UHMWPE сталкиваются с теми же проблемами износа и истирания, что и тазобедренные суставы. С течением времени тибиальные (большеберцовые) и феморальные компоненты могут полностью износиться, что приводит к ослаблению сустава. Изношенные полиэтиленовые частицы могут вызвать воспаление тканей в области сустава и, в результате, привести к эрозии костей, что также способствует ослаблению сустава. Как и в случае тазобедренных суставов, коленные суставы из густосетчатого UHMWPE имеют значительно более длительный срок использования по сравнению с обычными суставами из UHMWPE.

Рисунок 3: По результатам лабораторных исследований износ сетчатых вкладышей ветлужной впадины, изготовленных из UHMWPE, на 90% ниже, чем износ вкладышей из стандартного полимера.

Плечевые суставы
В искусственных плечевых суставах для замены верхней части плечевой кости используется металлический шар и вогнутая чашка из UHMWPE для замены суставной впадины лопатки – чашки лопаточной кости, к которой крепится плечевая кость. Иногда заменяется только поверхность плечевой кости, если остальная часть плеча здорова. Как и в тазобедренном суставе, полиэтилен в плечевом суставе подвергается постоянному напряжению при движении и весовых нагрузках.

Рисунок 4: Контактный компонент искусственного плечевого сустава, изготовленный из UHMWPE.

Позвоночник
При переломах и серьезных повреждениях позвоночника хирурги могут применить стабилизирующий кейдж – устройство длиной в несколько сантиметров, которое действует как шина постоянной имплантации, удерживающая поврежденные позвонки один над другим на время лечения. Наиболее распространенным материалом для кейджа является титан. Но он постепенно уступает свои позиции PEEK. Преимуществами полимера в данном применении являются его прочность, смазочные свойства, износоустойчивость, ударная прочность, исключительная гибкость и способность к растяжению. PEEK также обладает высокой совместимостью с тканями организма. Межпозвонковые кейджи из РЕЕК обычно помечаются рентгеноконтрастными точками, чтобы врачи могли легко распознать их на рентгеновской пленке.

Рисунок 5: Резьбовые межпозвонковые кейджи из армированного углеродным волокном РЕЕК просвечиваются рентгеновскими лучами, что позволяет наблюдать позвоночный столб в полном объеме.

Повреждения позвоночника также исправляются при помощи установки между позвонками искусственных дисков, изготовленных из UHMWPE. По имеющимся данным диски лучше обеспечивают естественное движение позвоночника, чем межпозвонковые клетки. Материалы для технологии протезирования дисков, разработанные в берлинском госпитале Charité Hospital, были утверждены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (U.S. Food and Drug Administration) в октябре 2004 г.

Рисунок 6: Сравнительные характеристики различных материалов имплантов относительно костей. PEEK армирован углеродным волокном.

Суставы пальцев
Опухание, боли и деформация суставов пальцев, вызванные ревматоидным артритом, могут быть облегчены при помощи искусственных суставов, изготовленных из силиконовых полимеров. Такие суставы снизу имеют шарнир и прорези на каждой стороне для крепления костей пальцев.
Хотя стандартным материалом для искусственных суставов пальцев рук являются силиконы, одна компания (Mathys Ltd., Bettlach, Швейцария) разработала сустав, изготовленный из PEEK, с титановыми расширяющими винтами. По имеющимся данным, сустав из PEEK обеспечивает большую степень естественного сгибания и поворота пальцев, чем другие искусственные суставы.

Рисунок 7: Сустав пальца из PEEK с титановыми компонентами.

Быстро расширяющиеся возможности применения искусственных суставов являются стимулирующим фактором развития новых полимерных технологий во многих областях. Наряду с этим производители медицинских приборов устанавливают тесное сотрудничество с компаниями, производящими полимеры, в целях наиболее эффективного применения этих новых материалов. Износостойкость продолжает оставаться важнейшей проблемой для имплантируемых полимерных суставов. Одним из способов решения вопроса продления срока эксплуатации искусственных суставов является модификация существующих полимеров, например, образование поперечных связей, а также разработка новых материалов.

Гордон Графф
www.omnexus.com