В последние годы углеродные материалы стали широко применяться в медицине, благодаря уникальности свойств, которые обеспечивают работоспособность при замене биологической ткани до 100 лет. К таким свойствам относят: биосовместимость, отсутствие токсичности и канцерогенности, неизменность свойств под воздействием биологических сред, отсутствие коррозии и усталостных напряжений, способности стимулировать рост тканей и другие свойства, близкие к живой ткани

Директор Акционерного общества «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит» Евгений Маянов

Академик МАЭИН, доктор технических наук Петр Золкин

Член-корреспондент РАЕН, кандидат технических наук Харис Аберяхимов

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ СТАТЬИ.DOC

Биосовместимость углерода с биологической тканью обеспечивают два физических свойства: электрохимический потенциал и поверхностная энергия. Биосовместимость стеклоуглерода, пирографита, золота и платины исследовали методом электрохимии с использованием в качестве электролита сыворотки крови крупнорогатого скота. Исследования показали, что электрохимический потенциал реакции на границе раздела имплантат – биосреда составил: стеклоуглерод + 0,315 мВ; пирографит + 0,346 мВ; золото + 0,340 мВ; платина + 0,332 мВ. Стеклоуглерод обладает аморфной структурой. Пироуглерод – идеальной графитовой структурой. Золото и платина – идеальными инертными свойствами. Следовательно, углерод по инертности близок к золоту и платине.

Поверхностная энергия графита МПГ-7 составляет 50 эрг/см². Но при имплантации пластины графита размером 2 × 10 × 20 мм в теленка на одну неделю поверхностная энергия составила 24 эрг/см², а ее поверхность была покрыта пленкой биологического происхождения, то есть углерод проявил своеобразную биоактивность и закрыл имплантат в капсулу, исключил его миграцию, возникновение биологических реакций, разрушающих имплантат или биологическую ткань.

Долговечность работоспособности эндопротезов и имплантатов определяют не только биосовместимость и поверхностная энергия, но и физико-химические, электрические, прочностные, поверхностные и др. свойства.

ОДНОПОЛЮСНЫЙ ТАЗОБЕДРЕННЫЙ СУСТАВ

Конструкция эндопротеза представлена на рис. 1. Ножку эндопротеза изготавливают из углепластика, который получают методом горячего прессования пресс-пакета, состоящего из полотна углеродной ткани марки ТГН-2М и пленки термопластичного полиамида 12/10, сложенных послойно в виде слоеного пирога. Углеродную ткань ТГН-2М получают из вискозной нити при температуре 2400 ?С, что обеспечивает высокую химическую чистоту. Для получения углепластика с высокими прочностными свойствами ткань подвергают электрохимической обработке, что увеличивает поверхностную пористость структуры ткани и повышает степень взаимодействия с полиамидным связующим веществом.

Процесс прессования пакета происходит при температуре 210–220 ?С, давлении 100 кг/см², время выдержки 2 часа. Свойства углепластика приведены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства углепластика «Остек»
 

Головку эндопротеза изготавливают из мелкозернистого прочного графита марки МПГ-7 промышленного производства, свойства которого приведены в таблице 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства графита МПГ-7
 

Свойства углеродного эндопротеза во многом идентичны свойствам кости здорового человека. Конструкция системы «кость – имплантат» хорошо функционирует на протяжении длительного времени, когда ее части равномерно нагружены. Применение конструкции из углепластика с упругими характеристиками, близкими к характеристикам кости, гарантирует создание ситуации, при которой во время ходьбы имплантат деформируется вместе с костью. Это сводит на нет концентрацию остаточных напряжений, разрушение ножки и расшатывание ее в местах плотного контакта с костью.

Прочностные и поверхностные свойства углеродного эндопротеза необходимы для замещения части органа или ткани за счет механических свойств, которые будут выполнять функции утраченной ткани, не изменяя своих физико-механических и биологических свойств. Плотной фиксации ножки эндопротеза при бесцементном ее укреплении в бедренной кости способствует набухание на 2–4% углепластика в биологической среде. Такая фиксация позволяет углероду проявлять свою способность провоцировать рост соединительной тканой пленки, выступающей в роли дополнительного крепления эндопротеза в кости. Соединения головки эндопротеза с ножкой осуществляется посредством конусной посадки 12/14 во время операции после имплантирования ножки в тазобедренную кость.

Отечественный однополюсный эндопротез тазобедренного сустава из композиционного углеродного материала был применен у 129 больных со свежими переломами, ложными суставами шейки бедра и асептическим некрозом головки бедра после остеосинтеза. Операции осуществлялись в Первом МГМУ им. Сеченова, в Московской городской клинической больнице № 7 и других больницах по разработанным Г.С. Юмашевым, Х.А. Мусалатовым и их сотрудниками способу и хирургическому инструментарию. Предложенный способ операции исключает перелом бедра во время вправления эндопротеза и его вывих в послеоперационном периоде. Плотное бесцементное введение ножки эндопротеза и надежное укрепление капсулы сустава по предложенной методике позволило хирургам ускорить реабилитацию больных в послеоперационном периоде.

ТОТАЛЬНЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ ТАЗОБЕДРЕННЫЙ ЭНДОПРОТЕЗ

Конструкция тотального углеродного тазобедренного эндопротеза основана на однополюсном эндопротезе, к которому добавили чашку. Тотальные тазобедренные эндопротезы предусмотрены для пациентов с заболеваниями и травмами всего аппарата тазобедренного сустава. Конструкция тазобедренного эндопротеза представлена на рис. 2.

С целью обеспечения больных с патологией тазобедренной области различного возрастного состава нами разработано восемь вариантов ножек, головок, чашек. Путем подбора отдельных деталей уравнивается симметричность ног согласно росту человека.

Таблица 3

Типоразмеры конструкций ножек

Таблица 4 Таблица 5

Типоразмеры конструкций головок

Типоразмеры конструкций чашек

В процессе эксплуатации в тазобедренном суставе головка из графита скользит по внутренней поверхности чашки. Исследования коэффициента трения графита по графиту показали 0,11 ± 0,01. Эрозийный износ пары графита составил (0,56 ÷ 0,84)·10?⁹ м/м (метр износа на метр пройденного пути). Такой износ пары трения графит по графиту гарантирует 100-летнюю эксплуатацию эндопротеза.

На тотальный углеродный тазобедренный эндопротез разработана нормативно-технологическая документация, и готовится опытно-промышленный выпуск медицинского изделия для лабораторных и клинических испытаний.

УГЛЕРОДНЫЙ ЭНДОПРОТЕЗ ДЛЯ ЗАМЕНЫ ТРАВМИРОВАННЫХ КОСТЕЙ СВОДА ЧЕРЕПА

Для замещения врожденных дефектов костной ткани свода черепа или в случаях тяжелых черепно-мозговых травм разработана конструкция эндопротеза из углепластика «Остек», с размерами 90 и 130 мм диаметрами, толщиной 2 мм, выпуклостью радиусом 100 мм. Имплантат укладывается в ложе травмированной кости под встречным конусом друг к другу без дополнительного крепления, плотно прижимается кожно-апоневротическим лоскутом и тугой бинтовой повязкой.

После имплантации на границе раздела кость – имплантат в течение одной недели начинается рост соединительной пленки, герметично закрывающей свод черепа, что исключает припадки эпилепсии у страдающих ранее этой болезнью. Нарушения прочности фиксации имплантат – кость и резорбции кости на границе с имплантатом не было. Имплантирование замены травмированных костей у взрослых проводили в Первом МГМУ им. Сеченова под руководством профессора Г.С. Юмашева и Х.А.Мусалатова(более 100 пациентам), у детей в 9-й МДГБ под руководством профессора А.М.Мытникова (более 200 детей). Применение углеродных эндопротезов позволяет восстановить форму черепа и его герметичность, сократить количество койко-мест в послеоперационный период и повысить качество жизни больных. На рис. 6 представлены снимки пациентов до и после операции.

УГЛЕРОДНЫЙ ЭНДОПРОТЕЗ ДЛЯ ЗАМЕНЫ КОСТЕЙ ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ОБЛАСТИ

Конструкция эндопротеза состоит из неподвижной части, дающей возможность осуществлять жевательные движения и речевые функции. Неподвижная часть эндопротеза изготавливается из углепластика «Остек», подвижная часть – из графита МПГ-7. Свойства этих материалов приведены выше. Однако у материала «Остек» имеется большой недостаток – он рентгенопрозрачен. В послеоперационный период хирург лишается возможности наблюдать расположение эндопротеза и его фиксацию в челюсти. Для устранения этого недостатка в пресс-пакет между тканью и полиамидом дозировали порошок карбида бора от 4 до 15%.

Конструкция углеродного эндопротеза для пластики височно-челюстного сустава была разработана Ф.Х. Набиевым, Р.В. Головиным (ЦНИИ стоматологии), П.И. Золкиным (НИИграфит) (рис. 7), на что получен патент.

Медицинские изделия на основе углеродных материалов используются в медицинской практике ЦНИИ стоматологии с 1995 года. На рис. 9 приведены снимки пациента до и после операции, где хорошо виден косметический эффект, по отзывам пациентов «хороший».

УГЛЕРОДНЫЕ ИМПЛАНТАТЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОЙ КУЛЬТИ ПОСЛЕ ЭНУКЛЕАЦИИ ГЛАЗНОГО ЯБЛОКА И ДРУГИХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ В ОБЛАСТИ ОРБИТЫ

При выборе материала для изготовления опорно-двигательной культи после энуклеации глазного яблока мы совместно с офтальмологами МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца В.П. Быковым, И.А. Филатовой, М.Г. Катаевым отобрали четыре углеродных материала различной структуры и физико-химических свойств.

Было проведено 206 операций по вживлению углеродных имплантатов 100 кроликам породы шиншилла в орбиту, под кожу и конъюнктиву век и глазного яблока, а также под кожу лба и виска. Экспериментальных животных забивали по истечению эксперимента через 3 и 7 дней, через 1, 3, 6 и 12 месяцев по 4 кролика на каждый срок.

Все имплантаты были хорошо адаптированы:

– не наблюдалось случаев миграции, инфекции или отторжения. Уже через 3–7 дней образцы были окружены тонкой соединительной пленкой. В более поздние сроки имплантаты имели плотную капсулу.

Из опытных материалов:

– графит МПГ-6;

– углеродная синтактическая пена;

– углеродная ткань «Карпема»;

– углеродный войлок «Карботекстим-М».

Для удобства в хирургической практике был выбран углеродный войлок «Карботекстим-М». Конструкция медицинского изделия состоит из набора войлочных дисков в количестве 7 штук диаметрами от 12 до 22 мм, толщиной 3 мм, что показано на рис. 8.

В МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца с 1990 года и по сей день сделано более 10 тысяч операций.

По всей России сделано более 20 тысяч таких операций. Высокопористая структура войлока позволяет прорастать биологической ткани, родственной зрячему глазу, и совершать вращательные движения по четырем меридианам до 120–130°, что обеспечивает косметический эффект операции.

В таблице 6 приведены свойства углеродного войлока «Карботекстим-М».

Таблица 6

 Свойства войлока «Карботекстим-М»
 

На производство и применение «Комплекта углеродных имплантатов для формирования опорно-двигательной культи после энуклеации глазного яблока и других пластических операций в области орбиты» институт АО «НИИграфит» имеет регистрационное удостоверение № ФСР 2009/06532 от 05 июня 2013 года Росздрава РФ.

Углеродный дренаж для лечения глаукомы

Глаукома – это болезнь, которая медикаментозно не лечится; в перспективе слепота, а слепые умирают в 4 раза чаще зрячих.

Наилучший способ лечения глаукомы – хирургический с помощью дренажной системы.Материалом для дренажа может служить биосовместимое полое углеродное волокно. Для этих целей нами разработана технология производства полого волокна на основе вискозы, которая включает в себя следующие этапы:

– вискозная нить, отмытая в специальных растворах, карбонизуется при температуре 320 °С;

– проводится высокотемпературная карбонизация при 700 °С;

– высокотемпературная графитизация карбонизованной нити под натяжением с подкруткой при 1700 °С;

– поверхностная активация графитированного углеродного волокна с целью увеличения удельной поверхности и сорбционной емкости;

– нанесение на поверхность волокна аппрета и герметичная упаковка;

– стерилизация гамма-облучением.

На дренажное углеродное волокно разработаны технические условия и технологический процесс. На рис. 10 приведен снимок дренажного эндопротеза для лечения глаукомы. В МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца проходят клинические испытания.

Свойства углеродного дренажа приведены в таблице 7.

Таблица 7
 

АТРАВМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕРОДНЫЕ САЛФЕТКИ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ОЖОГОВ, ЯЗВ, ПРОЛЕЖНЕЙ И ДРУГИХ МОКРЫХ КОЖНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ СТАТЬИ.DOC

111524, г. Москва, ул. Электродная, д. 2

Телефон: (495) 665-70-03

Факс: (495) 672-72-77

E-mail: niigrafit@niigrafit.org

Сайт: http://www.niigrafit.ru