Новые качества имплантов для коррекции дефектов черепа

Дефекты костей черепа могут серьезно повлиять на качество жизни пациента. Такие дефекты могут возникать в результате инфекций свода черепа, тяжелых черепно-лицевых травм, таких как дорожно-транспортные происшествия, спортивные и другие физические повреждения, возникать из-за врожденных черепно-лицевых деформаций или как побочные эффекты после нейрохирургических и челюстно-лицевых операций.

Краниопластика — это хирургическая процедура, при которой восстанавливается костный дефект или деформация черепа, что может быть достигнуто с помощью черепных имплантатов. Реконструкция таких дефектов в основном выполняется для восстановления структуры и функции отсутствующей черепной кости. Точно изготовленная черепная кость имеет решающее значение для обеспечения биомеханической защиты подлежащих мягких тканей головного мозга, а также для нормализации внутричерепного давления и восстановления показателей динамики кровотока спинномозговой жидкости. 

3D-прототипирование в краниопластике

Рабочий процесс реконструкции дефектов черепа с помощью индивидуальных имплантатов для конкретного пациента можно разделить на четыре основных этапа:

• медицинская визуализация на основе радиологических данных,
• обработка изображений,
• компьютерное проектирование,
• 3D-прототипирование.

Как правило, процесс начинается с получения данных медицинской 3D-визуализации, обычно из сканированных изображений компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии, которые преобразуются в файлы цифровых изображений и коммуникаций в медицине (DICOM). 

Затем данные DICOM обрабатываются с помощью программного обеспечения для создания 3D-модели отсканированной дефектной черепной кости. После этого файл импортируется в ПО для проектирования виртуальной 3D-модели имплантата, на основе которой изготавливается физический образец с использованием 3D-печати.

В частности, примером применения уникальной технологии 3D-печати для устранения дефектов костей свода черепа являются операции нейрохирургов из ФНКЦ РР Минобрнауки РФ (Федерального научно-клинического центра реаниматологии и реабилитологии). Именно здесь год назад впервые в нашей стране были изготовлены импланты с использованием высокотехнологичного компьютерного 3D-моделирования на базе данных трехмерной томографии.

Тяжелые черепно-мозговые травмы и другие повреждения мозга вызывают сложные дефекты в костях черепа, которые требуют хирургического лечения с использованием костного трансплантата для сращения черепа. Эта процедура является важной частью ранней нейрореабилитации, нормализуя динамику ликвора и защищая мозг от механических воздействий. Все это необходимо для быстрой реабилитации пострадавшего.

Имплант, изготовленный по результатам индивидуального компьютерного сканирования поврежденного участка, важно оперативно доставить в хирургу, проводящему краниопластику. Использование 3D-печати позволяет значительно сократить время операции, снизить риск инфекционных осложнений и значительно повысить точность подготовки имплантата черепной кости, что положительно сказалось на состоянии больных и процессах их реабилитации.

Благодаря такому технологическому процессу так же снижается конечная стоимость имплантата, появляется возможность добиться отличного косметического эффекта после пластики. Технология 3D-печати вдохновляет ученых на создание новых передовых материалов для имплантатов.

Биосовместимая пластина создана учеными НИТУ «МИСиС»

Команда исследователей Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» сумела повысить качества существующих сегодня имплантов для коррекции дефектов черепа. Ученые создали инновационную гибридную пластину с повышенными биоактивными свойствами.

Благодаря высокой биоактивности нового импланта, он лучше приживается в костной ткани и не отторгается. Для нейрохирургов и травматологов разработка ученых поможет добиться более высокого качества лечения пациентов с черепно-мозговыми травмами. Внедренное новшество было зарегистрировано и получило Патент РФ на изобретение №2743108.

Используемые в настоящее время пластины сделаны из титана. Наряду с положительными качествами этого металла, он обладает и недостатками. В частности не проявляет биоактивности, достаточной для интеграции с костной тканью.

Вторым недостатком металлических пластин является их высокая теплопроводность. При высоких температурах окружающей среды они нагреваются и доставляют пациенту дискомфортные ощущения.

При понижении температуры металл остывает, пациенту грозит переохлаждение.

Конструкция пластины сделана таким образом, что ее можно легко адаптировать к форме и размеру черепного дефекта. Новый имплант можно применять для лечения людей и животных.

В патенте указано официальное название новой разработки: «Инновационная гибридная пластина для краниопластики (пластических операций по изменению формы черепа)».

Пластина состоит из следующих элементов:

• функциональный слой, который обеспечивает биоактивность;
• слой, привносящий прочность;
• слой, обеспечивающий теплопроводность.

Для придания биоактивности разработан специальный пористый слой толщиной 2-5 мм. В его основе задействован сверхвысокомолекулярный полиэтилен. В отличие от металла, этот материал позволяет прорастать тканям человека в пластину. Так достигается прочная консолидация с костями черепа.

В качестве второго слоя, дающего прочность, использована армирующая металлическая сетка 0,1-0,6мм. Она сделана на основе титанового сплава — здесь и пригодился этот сверхпрочный металл.

Теплопроводность обеспечивает третий слой, который представляет собой гладкое покрытие. Для него применен сверхвысокомолекулярный полиэтилен толщиной 100-250 мкм. Теплопроводность этого материала сопоставима с показателями теплопроводности окружающих тканей.

Во время испытания новой пластины ученые зафиксировали ее высокие биосовместимые качества. В пористом слое через короткое время образовалась соединительная ткань. Она также быстро покрылась кровеносными сосудами. Образование единой кровеносной системы с имплантом является подтверждением его хорошей приживаемости, сводит к минимуму риск отторжения и других возможных осложнений.

В ННГУ презентовали соединение с антибактериальным эффектом для костных имплантов

Исследователи химического факультета Университета Лобачевского изобрели фторапатит. Это вещество предназначено для изготовления для костных имплантов.

Инновация заключается частичной замене атомов кальция на атомы натрия и висмута. Висмут обеспечивает антибактериальный эффект, он борется с инфекциями, угрожающими пациенту в послеоперационный период. Натрий берет на себя ответственность за биосовместимость вещества, помогая ему более активно встраиваться в кость. Основа состава представляет собой минерал, воспроизводящий состав и структуру костной ткани человека и состоящий из фосфора, кальция, фтора и кислорода.

Ранее антибактериальные свойства придавались костным имплантам через покрытие их антибиотиками. Но лекарства в организме вымываются, могут попадать на другие участки, то есть не работают должным образом на импланте. Тесты, осуществленные на культуре человеческих фибробластов, подтвердили прорыв нижегородских ученых, создавших вещество, в котором висмут (антимикробный агент) прочно фиксируется в кристаллической структуре.

Более того, анализируя микроструктуру, изобретатели выявили, что именно при соотношении Ca/Bi/Na=8/1/1 частицы образуют сфероидальную форму, благодаря чему облегчается их проникновение в клетки и увеличиваются шансы на активное воздействие вещества на внутриклеточном уровне.

В ближайшей перспективе учеными из ННГУ планируется более точное определение оптимального химического состава соединения для применения в клинической практике. Кроме того, параллельно ими ведется разработка еще одной модификации гидроксиапатита биоактивными атомами магния.