КЕРАМИКА

Поражение клапанного аппарата сердца при врожденных и приобретенных пороках является довольно распространенным заболеванием, которое занимает одно из первых мест среди причин потери трудоспособности и гибели больных. Подчас единственной возможностью эффективной помощи этим больным является хирургическая операция. Некоторым больным, у которых изменения пораженных клапанов нерезко выражены, можно провести клапаносохраняющие операции. Своевременно и правильно выполненная, такая операция позволяет достичь значительно более высокого «качества жизни» больного, нежели при протезировании клапана. Однако, к сожалению, далеко не всем можно произвести эффективную клапаносохраняющую операцию. В тех случаях, когда створки клапанного аппарата сердца при заболевании их подверглись грубой деформации, речь может идти только о замене естественного клапана на искусственный протез.

Результат операции во многом (если не во всем) зависит от того протеза, которым заменили естественный клапан. Какой протез выбрать - биологический или механический, а если механический, то какой конструкции, из какого материала - эта проблема является в прямом смысле слова проблемой жизни и смерти для сотен тысяч больных. Ведь ежегодно в мире имплантируется около 300 тысяч искусственных клапанов сердца. Опыт последних лет показал, что биологические протезы по многим критериям значительно превосходят механические - они обладают хорошими гемодинамическими характеристиками и низкой тромбогенностью (образованием тромбов). Однако через несколько лет после имплантации биоклапанов возможна их дисфункция вследствие дегенеративных изменений биологических тканей. Кроме того, показания к биопротезированию строго ограничены. Биопротезы клапанов сердца, к сожалению, не стали (да, естественно, и не могли стать) панацеей при лечении такого сложного и многопричинного заболевания, как «клапанная болезнь» сердца, возникающего при ревматизме и при ишемической болезни сердца, при врожденной патологии или травме, и поражающего мужчин и женщин, стариков и детей. Вероятно, нельзя в настоящее время рассчитывать на создание «идеального» протеза, пригодного для имплантации всем больным с грубой деформацией клапанов. Поэтому наряду с дальнейшим совершенствованием биопротезов необходимо продолжать разработку и создание новых моделей механических клапанов сердца.

Эффективность работы клапана и результаты операции по его имплантации во многом определяются свойствами материалов, из которых выполнена его конструкция. По сравнению с другими областями хирургии, сердечно-сосудистая хирургия предъявляет наиболее жесткие требования к материалам для эндопротезирования. Материал для искусственных клапанов сердца должен обладать поистине уникальным набором свойств, к которым относятся:

- биологическая инертность: отсутствие токсичности, аллергенности, травмирующего и раздражающего действия на окружающие ткани;

- механическая прочность, рассчитанная на длительный срок работы в организме, устойчивость к износу;

- гемосовместимость: материал не должен вызывать повреждения элементов крови и образования тромбов;

- устойчивость к агентам внутренней среды организма, к воздействию биологических жидкостей;

- устойчивость к высокотемпературной стерилизации.

История создания механических клапанов сердца - это во многом история поиска и внедрения новых конструкционных материалов. Первые модели ИКС были выполнены из полимеров. Им на смену пришли клапаны из металлов и сплавов. Самые последние модели ИКС изготовлены из графитсодержащих материалов. Каждый из этих материалов обладает определенными преимуществами, однако не лишен и весьма существенных недостатков. Поэтому поиск новых материалов, перспективных для создания сердечных клапанов протезов, продолжает оставаться весьма актуальной проблемой.

В последние годы внимание ученых и технологов многих стран привлечено к керамике - твердому материалу неорганической природы. Этот материал нашел такое широкое применение во многих областях науки и техники, что стали говорить о технологической революции, о том, что конец XX века стал эрой керамики. Высокая механическая прочность, сохраняющаяся даже при экстремальных температурах, большая коррозийная устойчивость, высокие электроизоляционные свойства обусловливают всевозрастающее применение керамики в различных областях техники и производства. Керамические материалы применяются для изготовления деталей и изделий, предназначенных для работы в любых агрессивных средах (кислотах, щелочах, расплавленных металлах), для создания двигателей и турбин, где они пришли на смену быстроизнашивающимся металлам. Керамика применяется даже для создания защитного слоя космических кораблей.

Среди большого разнообразия технических керамик особенно выделяется по механической прочности и химической стойкости корундовая керамика, основу которой составляет окись алюминия. Окись алюминия существует в виде нескольких кристаллических модификаций, из которых самой устойчивой является модификация, называемая корундом. Отсюда и название керамического материала. По своей структуре керамика представляет поликристаллический материал, ее также называют поликристаллическим сапфиром или рубином. Уникальные физические и химические свойства корундовых материалов определяются характером химической связи в молекуле Al2O5 и ее кристаллическим строением. Корундовая керамика обладает высокой стойкостью ко всем видам механических нагрузок. Так, предел прочности корундовой керамики при изгибе достигает 3000 кг/см2, а при сжатии - более 10000 кг/см2. В отличие от пластмасс и металлов она не деформируется при ударе, нагреве, высоком давлении. Такая высокая прочность керамики объясняется большой энергией кристаллической решетки (3681 ккал/моль), которая определяет прочность связей в кристалле.

Большое практическое значение имеет устойчивость корундовой керамики к износу при трении. Многие советские и зарубежные исследователи пришли к выводу, что при взаимодействии деталей из керамики износ практически отсутствует или крайне незначителен. Трение и износ керамических материалов гораздо меньше в растворе, чем в сухой среде. Коэффициент трения у пары керамика-керамика, помещенной в раствор, много меньше, чем у металлов, находящихся в аналогичных условиях.

В молекуле алюминий находится в максимально окисленном состоянии - каждый анион алюминия окружен шестью противоположно заряженными анионами кислорода. Подобные химические связи очень прочны, поэтому корундовые материалы устойчивы ко многим агрессивным факторам. Результаты испытаний корундовой керамики на растворимость в тканевой жидкости показали, что по коррозийной стойкости она не уступает золоту и платине.

Учитывая такое удачное сочетание физических и химических свойств корундовых материалов, в середине 70-х годов во многих странах мира стали проводить исследования, оценивающие возможность применения керамики в медицине. Приоритет применения корундовой керамики в медицине принадлежит ФРГ и США. Первыми в нашей стране эти материалы исследовали и применили в клинической практике работники Тбилисского медицинского института, врачи-травматологи О. Гудушаури, О. Омиадзе, Г. Думбадзе. В своих исследованиях они, в частности, показали, что корундовая керамика безвредна для организма теплокровных животных независимо от ее агрегатного состояния (порошок, гранулы, пластины) и способа введения в организм. Она не обладает местнораздражающим и общерезорбтивным действием как при непосредственном воздействии на организм, так и в отдаленные сроки после введения. Даже в тех случаях, когда биокерамические материалы подвергаются химической или биологической деградации, концентрация продуктов деградации в окружающих тканях настолько мала, что они легко контролируются регуляторными системами организма. Весьма существенно и то, что продукты деградации и износа корундовой керамики абсолютно нетоксичны.

Для сравнения следует отметить, что продукты износа политетрафторэтилена (тефлона), одного из самых биоинертных полимеров, вызывают резко выраженные воспалительные изменения в окружающих тканях.

Ученые многих стран пришли к выводу - корундовые материалы обладают биосовместимостью и вызывают минимальные изменения в окружающих тканях.

Высокая механическая прочность, биоинертность, отсутствие токсического влияния керамических материалов на организм, а также возможность изготавливать образцы эндопротезов любой величины и формы позволили широко использовать корундовую керамику в клинической практике. Наиболее широкое применение в медицине корундовые материалы нашли при замещении костей и суставов. В настоящее время керамические эндопротезы применяются практически во всех областях хирургической ортопедии: для пластики тазобедренного и других крупных суставов, протезирования крыши вертлужной впадины, замещения костей кисти, замещения части и целых длинных трубчатых костей, для внутрикостного соединения костей.

Применение корундовой керамики в травматологии и ортопедии позволило в более короткие сроки восстанавливать целостность кости при самых тяжелых ее дефектах. С успехом в травматологии применяется корундовый материал монокристаллического строения (монокристаллический корунд, он же лейкосапфир), из него изготовляют внутрикостные штифты, которые не требуют дальнейшего удаления. В последние годы корундовая керамика успешно используется при оперативных вмешательствах на позвоночнике: для эндопротезирования межпозвонковых дисков и замещения дефектов позвонков.

Корундовая керамика применяется для пластики костей черепа, орбиты, придаточных пазух и костей носа. В отоларингологии керамика применяется при слухоулучшающих операциях для протезирования слуховых косточек, а также для операций при хронических и экссудативных заболеваниях среднего уха.

В стоматологии корундовая керамика моно- и поликристаллического строения широко используется для пластики верхней и нижней челюстей и имплантации зубов.

Казалось бы, применение такого материала в офтальмологии невозможно, однако ученые-исследователи Тбилисского мединститута разработали погружные имплантаты из корундовой керамики для формирования подвижной культи после удаления глаза. Ф. Полак и Г. Хеймк (ФРГ) разработали протез роговицы, выполненный из корундовой керамики поликристаллического и монокристаллического строения, который своим основанием имплантируется глубоко в мягкие ткани глаза. Этот протез с успехом прошел клинические испытания.

Учитывая уникальные свойства корундовых материалов, а также успешный опыт их широкого клинического применения в различных областях медицины, исследователи посчитали весьма перспективным использование корундовых материалов для создания искусственных клапанов сердца. Поэтому в начале 80-х годов появились первые сообщения о попытках создания искусственных клапанов сердца из корундовых материалов. Английские ученые Г. Джентл и П. Сволс в 1980 году впервые сообщили о создании искусственного клапана сердца из корундовой керамики, который они создавали и исследовали в течение 7 лет. По мнению авторов, этот клапан обладает высокой устойчивостью к износу, что позволило назвать его «вечным». Кроме того, ученые предполагали, что этот клапан не будет вызывать выраженных тромбоэмболических осложнений. В дальнейшем такой двустворчатый клапан из пористой и непористой корундовой керамики исследовали в живом организме. Эксперименты по имплантации клапанов проводили на свиньях. Результаты операций на животных показали хорошую гемодинамическую функцию протеза, отсутствие выраженного повреждения форменных элементов крови и минимальную тромбогенность.

По данным зарубежной литературы, вопросами применения корундовой керамики в сердечно-сосудистой хирургии в настоящее время занимаются во многих странах. Однако, судя по публикациям, они еще не вышли за рамки экспериментов. Вместе с тем, для широкого применения корундокерамических материалов в практике сердечно-сосудистой хирургии необходимо выяснить, в какой мере корундовые материалы моно- и поликристаллического строения соответствуют комплексу всех требований, предъявляемых к материалам для изготовления искусственных клапанов сердца. Достаточно полной оценки корундовой керамики с точки зрения возможности ее использования как имплантационного материала в сердечной хирургии проведено не было. Не было изучено взаимодействие корундовых материалов с кровью; оставалось неизвестным, смогут ли они выдержать сверхвысокие гемодинамические нагрузки, которым подвергается сердечный клапанный протез при работе в организме. Кроме того, необходимо было сравнить корундовую керамику с материалами, традиционно и широко применяемыми в сердечно-сосудистой хирургии, то есть с металлами и полимерами, и таким образом определить, насколько целесообразно и возможно ее применение в этой области.

Итак, была поставлена цель: определить возможность и целесообразность использования отечественных корундовых материалов для создания искусственных клапанов сердца. Сотрудница кафедры оперативной хирургии и топографической анатомии 1-го Московского медицинского института имени И. М. Сеченова И. Коротеева взялась за решение этой задачи. Для исследования были предложены отечественные корундовые материалы с различным химическим составом и структурой строения: миналунд, стоал и лейкосапфир. Миналунд и стоал относятся к поликристаллической керамике, то есть основу их составляют мелкие кристаллы (зерна) окиси алюминия. Они отличаются тем, что у первого материала зерна более крупные, менее однородные, кроме того, в нем больше примесей (окиси кальция и окиси кремния), которые ухудшают свойства керамики. Стоал считается одним из лучших отечественных керамических материалов, содержание основного вещества окиси алюминия в нем очень высоко - 99,57 процента. Эти материалы получают из глинозема хорошо известным в керамической промышленности способом формования с последующим обжигом при температуре свыше 1700 градусов Цельсия, Лейкосапфир (белый сапфир) несколько отличался от предыдущих материалов. По своему строению лейкосапфир - монокристалл окиси алюминия и практически не содержит никаких примесей (сумма всех примесей в нем не превышает 10-4). Получают лейкосапфир в специальных высокотемпературных установках по выращиванию монокристаллов в вакууме.

В качестве контрольных материалов были выбраны наиболее биологически инертные представители металлов и полимеров, которые широко применяются в сердечно-сосудистой хирургии, в частности, в конструкциях искусственных клапанов сердца - титан и фторопласт.

На первом этапе предстояло выяснить, какой из материалов вызывает наименьшую реакцию ткани, то есть обладает большей биоинертностью. Для этого маленькие пластинки (3X3 мм) из всех корундовых и контрольных материалов имплантировали в мышцы бедра белых лабораторных крыс, затем через некоторое время брали маленькие кусочки мышечной ткани, окружающие имплантат, и исследовали их под микроскопом. При этом отмечали, вокруг какого материала более выражено воспаление, где быстрее образуется тонкая соединительнотканая капсула, отграничивающая имплантат от мышечной ткани. Была изучена реакция мышечной ткани 140 крыс.

При сравнительной оценке биоинертности материалы распределились следующим образом: наибольшей биоинертностью обладали лейкосапфир, затем стоал, наименьшей - титан, в промежутке между ними находились миналунд и фторопласт. Оценка биологической инерности потребовала большой тщательности при проведении исследования, так как резко выраженной разницы между самым «лучшим» и «худшим» материалами не было, да и не могло быть, поскольку титан - один из самых биоинертных из имеющихся металлов. И все-таки сомнений нет - стоал и лейкосапфир превосходят остальные материалы по биоинертности. При исследовании подтвердилась ранее замеченная другими исследователями закономерность - чем больше в корундовом материале основного вещества - кристаллической окиси алюминия - тем менее выраженные изменения в тканях он вызывает.

Наиболее ярко биологическая инертность любого материала проявляется в тромборезистентности, то есть способности материала противостоять быстрому тромбообразованию на его поверхности. Тромборезистентность является одним из определяющих свойств материала, предназначенного для имплантации в сердечно-сосудистую систему. Механизмы тромбообразования и тромборезистентности настолько сложны, что использование какого-либо одного метода их исследования не позволило бы дать достаточно полной оценки тромборезистентных свойств корундовых материалов. Поэтому решено было использовать как методы ин витро (в пробирке), так и методы ин виво (в живом организме), однако преимущество отдавали методам в живом организме, поскольку они позволяют оценить поведение исследуемых материалов в условиях реального кровотока. Исследования проводили на беспородных собаках. Сначала решили проверить материалы в наиболее тромбогенных условиях, то есть в венах, так как в венах давление значительно ниже и кровоток медленнее, чем в артериях. Для этого из всех корундовых материалов, а также из титана и фторопласта изготовили полые цилиндры, которые имплантировали в нижнюю полую вену собаки по методу «Готта». Имплантированный в просвет полой вены цилиндр длиной 10 миллиметров замещал участок вены аналогичной длины; кровь в данном участке протекала только через цилиндр. При недостаточной тромборезистентности материала, из которого был изготовлен цилиндр, на его внутренних стенках откладывались тромбы, иногда до полного закрытия просвета цилиндра. Все операции на животных проводили под наркозом с применением искусственной вентиляции легких и соблюдением правил асептики и антисептики. В послеоперационном периоде животные находились под постоянным наблюдением. Всем проводились ангиографические исследования, то есть исследования сосудов рентгенологическими методами, для того, чтобы определить проходимость цилиндров и наличие тромботических масс на внутренних стенках цилиндров. Кроме того, с помощью специальных приборов, а также дополнительных биохимических исследований крови постоянно вели наблюдение за состоянием свертывающей и противосвертывающей систем крови в ответ на имплантацию корундовых и контрольных материалов в кровоток. После выведения животных из эксперимента цилиндры извлекали и определяли состояние их внутренних стенок, наличие на них тромботических масс. Обычно животных наблюдали в стандартные сроки от 2 часов до 2 месяцев.

При анализе результатов эксперимента выяснилось, что больше тромбозов при всех сроках исследования было обнаружено в цилиндрах из титана, меньше - в цилиндрах из стоала и лейкосапфира. Решили продлить эксперимент, и несколько цилиндров из стоала и лейкосапфира оставили в венозном кровотоке на более длительный срок - до 6 месяцев. По истечении данного срока выяснилось, что цилиндры полностью свободны от тромбов, внутренняя поверхность их гладкая, блестящая.

Далее, решили исследовать поведение материалов в условиях, максимально приближенных к внутрисердечным, то есть в артериальной системе. Аналогичные цилиндры имплантировали в брюшной отдел аорты собак. При этом выяснилось еще одно ценное свойство керамики (стоала) - уже через 2 месяца внутренняя поверхность его была покрыта очень прочной, тонкой оболочкой - псевдонеоинтимой, которая была очень плотно фиксирована к поверхности керамики и препятствовала дальнейшему тромбообразованию на поверхности материала. Для сравнения следует отметить, что внутренняя поверхность титановых цилиндров на некоторых участках неоинтимой покрыта не была, на других же участках неоинтима была рыхло фиксирована к поверхности металла и легко отслаивалась. А ведь именно такие кусочки оторванной неоинтимы часто становятся причиной тромбоэмболических осложнений у больных с имплантированными искусственными клапанами сердца.

Исследования И. Коротеевой показали, что по своим тромборезистентным свойствам корундовые материалы не только превосходят титан и фторопласт, но и сами отличаются друг от друга: если лейкосапфир и стоал почти одинаковы, то миналунд обладает значительно более выраженной тромбогенностью. Трудно пока с полной определенностью судить о причине этих различий, имеющих большое практическое значение. Можно предположить, что достаточно высокая тромборезистентность лейкосапфира и стоала во многом связана с их химическим составом, который представлен практически стопроцентно Аl2О3 - то есть инертной и не изменяющей своих свойств кристаллической окисью алюминия. По мере изменения химического состава корундовых материалов меняется и их тромборезистентность (как и биоинертность): чем больше примесей (в миналунде), тем больше тромбогенность. Однако не только химическое строение играет роль в механизмах тромборезистентности корундовых материалов. Так, стоал имеет однородную мелкозернистую структуру, а у миналунда, обладающего большой тромбогенностью, размер зерен основного вещества колеблется в широких пределах, он менее однороден.

Интересные факты приводят японские ученые. В частности, Кавахара в своих исследованиях показал, что при введении корундовой керамики в организм на ее поверхности образуется особый мономолекулярный слой воды, препятствующий каким-либо взаимодействиям керамики с клетками и жидкостями организма. Более того, в первые часы после введения керамики в организм клетки теряют способность к адгезии (прилипанию) на ее поверхности. Полностью механизмы взаимодействия корундовых материалов с кровью и другими тканями организма еще не раскрыты, и здесь открывается широкое поле деятельности для исследователей-экспериментаторов.

Одной из причин нарушения функции механических клапанов сердца, а также одним из пусковых моментов тромбообразования является старение материалов при длительном нахождении в организме. Они проявляются в появлении микротрещин, шероховатостей и других микродефектов поверхностей. Изучая возможность использования корундовых материалов для клапанов сердца, нужно было решить, как меняется их поверхность при длительном нахождении в организме. В этих целях животным имплантировали пластины, через 2 года их исследовали с помощью электронного сканирующего микроскопа, дающего очень большое увеличение, выявляющего мельчайшие дефекты поверхности. Поверхность корундовых материалов через 2 года осталась практически без изменений: не было выявлено каких-либо специфических дефектов, рельеф поверхности полностью сохранен. В то же время на поверхности титана появление микродефектов было отмечено уже через год, а через два года было обнаружено увеличение количества и размеров дефектов, поверхностный слой металла стал более рыхлым.

Большое значение имела оценка механической прочности корундовых материалов. По этому поводу в настоящее время опубликованы работы, в которых указано, что наряду с большой прочностью корундовых материалов, им присуща и определенная хрупкость. Невыясненным оставался вопрос, смогут ли корундовые материалы при незначительной толщине конструкции выдержать большие ударные нагрузки, которые испытывают элементы искусственных клапанов сердца при работе в организме. Из лейкосапфира и стоала, которые по результатам предшествующих экспериментов оказались наиболее перспективными для поставленной цели материалами, изготовили дисковые запирательные элементы толщиной 0,86 миллиметра со сложной фигурной поверхностью. Диски поместили в стандартный каркас искусственных клапанов сердца и исследовали их на стендах ускоренных испытаний с 20-кратным ускорением (1 год работы клапана на стенде равен 20 годам работы клапана в организме человека). После такого испытания оказалось, что все диски из стоала и лейкосапфира целы, трещин, сколов и других дефектов поверхности не обнаружено.

Таким образом, проведенные исследования показали, что стоал и лейкосапфир удовлетворяют комплексу требований, предъявляемых к материалам, предназначенным для имплантации в сердечно-сосудистую систему. Нам представляется, что эти материалы будут использованы для создания новых моделей искусственных клапанов сердца, для которых была также разработана оригинальная конструкция, защищенная авторским свидетельством.

Можно предположить, что применение корундовых материалов в сердечно-сосудистой хирургии не будет ограничиваться только созданием искусственных клапанов сердца. Они могут быть использованы при создании аппаратов «искусственное сердце» или «искусственный желудочек сердца», которые предъявляют особо высокие требования к прочности, биоинертности и тромборезистентности конструкционных материалов. Не исключена возможность, что при дальнейшем совершенствовании технологии производства и обработки керамики создадут керамические эндопротезы для пластики элементов артериальной и венозной систем или же изготовят клапаносодержащие кондуиты для лечения врожденных пороков сердца. Несомненно, одно: корундовые материалы - это материалы будущего.

В заключение хочется сказать, что аспирант И. Коротеева успешно защитила диссертацию на ученом совете института по проведенной исследовательской работе и положила начало новому направлению работы кафедры.