Как показывает повседневная практика, одной из важнейших проблем, с которой сталкиваются врачи - стоматологи в своей работе, является регенерации костной ткани вследствие различных хирургических вмешательств в челюстно-лицевой области. Костная рана, образовавшаяся вследствие различных хирургических вмешательств в челюстно-лицевой области, далеко не всегда полностью восполняется созревшей новообразованной костной тканью. Дефицит костной ткани наблюдается после удалений зубов и различный воспалительных заболеваний, связанных с деструкцией костной ткани [3].
Костезамещающие материалы активно используются в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии и травматологии. Среди них широко распространены материалы на минеральной основе (гидроксиапатит, трикальцийфосфат и керамика), на основе коллагена животного происхождения и их композиции [2, 4 ].
Существуют основные характеристики, которым должен соответствовать любой остеопластический материал: остеоинтеграция, остеокондуктивность, остеоиндуктивность, остеогенез.
Несмотря на многообразие костезамещающих материалов различного содержания и свойств, на сегодняшний день среди них нельзя выделить «идеальный», подходящий для использования в различных областях хирургии.
Костезамещающие материалы должны не только являться каркасом для формирующейся кости (остеокондукция) и стимулировать созревание костных клеток (остеоиндукция), но и инициировать эти процессы в соответствующие стадии репаративной регенерации [1, 6].
Известно, что результаты операций по замещению костных дефектов челюстей с использованием материалов на основе гидроксиаппатита и трикальцийфосфата отличаются предсказуемостью, эффективностью и широким диапазоном применения [10]. Доказано, что синтетический гидроксиапатит, биологически активное стекло и β-трикальций фосфат рассасываются частично или полностью. Это зависит от их кристалличности. Они активируют остеогенез, усиливают пролиферативную активность остеобластов и стимулируют процессы репаративного остеогенеза на месте введения, а так же снижают выраженность воспалительных процессов в костной ране. Так же они биосовместимы с организмом человека и не вызывают реакции отторжения [11].
Синтетические материалы, отвечающие вышеперечисленным требованиям, являются композициями соединений кальция, фосфора, кремния и алюминия.
Две группы материалов, в основе которых содержатся силикатные смеси, способны вступать в непосредственный контакт с костной тканью. Это - биоактивное стекло и стеклоиономеры.
Биоактивное стекло, наряду с гидроксиаппатитом и материалами, содержащими в своем составе фосфат кальция, входят в группу биоактивных керамических материалов [5].
Биоактивное стекло в основном состоит из диоксида кремния (SiO2), оксида натрия (Na2O), оксида кальция (СаО) и пятиокиси фосфора (Р2O5).
Под биоактивными материалами (БАМ) подразумевают биоматериалы, предназначенные для связывания их с биологическими системами с целью повышения эффективности лечения, образования или замещения любой ткани, органа при выполнении тех или иных функции организма. В настоящее время среди семейства БАМ выделяют 5 основных категорий:
1. Кальциофосфатная керамика.
2. Стекло и стеклокерамика.
3. Биоактивные полимеры.
4. Биоактивные гели.
5. Композиты.
В более широком смысле биоактивность может рассматриваться как свойство, характеризующее степень воздействия биоматериала на течение патофизиологических и морфологических процессов в зоне контакта с биологическим объектом [1, 8]. Эта позиция перекликается с мнением других авторов, которые подразумевают под биоактивными материалами подкласс поверхностно-активных материалов, которые при имплантации образуют связь с окружающей тканью, имеющей границу раздела с костной тканью [3].
Биоактивные стекла с успехом применяются в ортопедической хирургии, челюстно-лицевой и черепно-лицевой хирургии, а также в хирургических операциях на позвоночнике.
Остеопластические материалы на основе биоактивного стекла хорошо известны за счет их отличной биосовместимости. При контакте с жидкостями организма, они способны создавать прочную связь на границе материал-кость, следовательно, при имплантации в костный дефект материал не инкапсулируется, а находится непосредственно в прямом соединении с костной тканью (биоактивная фиксация).
По механизму образования апатитного слоя биоактивные материалы можно подразделить на три группы:
1. формирующие апатиты при собственной биодеградации (гидроксиапатит, β-трикальций фосфат и т.п.);
2. формирующие апатитовый слой при насыщении окружающей среды кальций-фосфатами и ионами силикона, выходящими из материала (гели и полимеры);
3. формирующие апатитовый слой путем абсорбции ионов кальция и фосфата из окружающих биологических жидкостей и тканей (стекло и стеклокерамика).
Прочное соединение между биоактивным стеклом и костной тканью образуется в результате того, что при контакте с жидкостью костной среды или раны, на поверхности биоактивного стекла формируется слой геля насыщенного кремнием. В среде этого геля, ионы Ca2+ и (PO4)2 вступают в реакцию, образуя кристаллы карбонатного гидроксиапатитового (КГА) слоя, который эквивалентен по составу и структуре минеральной фазе кости. КГА слой растет в виде поликристаллических агломератов, в состав которых включаются коллагеновые фибриллы. За счет этого происходит связывание неорганической поверхности биоактивного стекла с органическими компонентами тканей. Таким образом, граница между биоактивным стеклом и костью почти идентична естественно возникающим границам раздела между костями и сухожилиями и связками. Биомеханические свойства такого биоматериала наиболее полно соответствует естественным градиентам напряжений, чем у других биоматериалов [1,3,6,8].
Таким образом, биоактивное стекло является остеокондуктивной матрицей, вызывающей адгезию морфогенетических белков, клеток предшественников остеобластов, их пролиферацию и дифференцировку в остеобласты.
Проведённое исследование состояло из двух частей.
I: сканирование образцов нового остеопластического материала с целью визуальной оценки его поверхности. Это позволило определить рельеф поверхности, ее выраженность, агрессивность неровностей и чистоту.
II: электронная сканирующая микроскопия была применена нами с целью визуализации клеток на поверхности остеопластического материала. Это позволило определить форму и количество прикрепленных клеток на поверхности.
Данное исследование проводилось в лаборатории анатомии микроорганизмов ФГБУ НИИ им. Н.Ф. Гамалеи (руководитель лаборатории - д.м.н. Л.В. Диденко).
В экспериментальной части нашей работы проведена комплексная оценка остеиндуктивной активности биологически активного стекла. Для этой цели использована биологическая модель с применением клеток предшественников фибробластов. Остеопластический материал, помещали в среду с клетками предшественниками фибробластов. Для эксперимента использовались пассивированные клетки II-III пассажа. Культивирование проводили 5-7 дней, после чего материал отмывали физиологическим раствором и фиксировали для определения прикрепившихся клеток.
Необходимо было понять, будут ли клетки-предшественники фиксироваться, и расти на поверхности биологически активного стекла. Полученный результат оценивали визуально при помощи сканирующего электронного микроскопа.
С помощью сканирующей электронной микроскопии получена и оценена визуальная картина микрорельефа поверхности материала.
Рис. 1а-в - сканирующая электронная микроскопия интактных кристаллов биоактивного стекла. Инструментальное увеличение: х2000, х5000, х10000.
Рис. 1а. Внешний вид остеопластического материала без клеточных элементов (увеличение х2000).
Рис. 1б. Внешний вид остеопластического материала без клеточных элементов (увеличение х5000).
Рис. 1в. внешний вид остеопластического материала без клеточных элементов (увеличение х10000).
Впервые в эксперименте на культуре стромальных остеогенных фибробластов получена модель взаимодействия клеток - предшественников костного мозга с поверхностью биоактивного стекла «Leonardo». С помощью СЭМ получена визуальная картина, и подтверждение факта адгезии остеогенных фибробластов предшественников костного мозга на поверхности исследуемого биоактивного стекла.
Рис. 2а-в - сканирующая электронная микроскопия кристаллов биоактивного стекла после инкубации со стромальными стволовыми клетками. Увеличение х2000, х5000, х10000.
Рис. 2а. Внешний вид исследуемых образцов с клеточным материалом на поверхности (увеличение х2000).
Рис. 2б. Внешний вид исследуемых образцов с клеточным материалом на поверхности (увеличение х5000).
Рис. 2в. Внешний вид исследуемых образцов с клеточным материалом на поверхности (увеличение: х10000).
Результаты. Методом сканирующей электронной микроскопии было показано, что интактные образцы исследуемого биоактивного стекла имели многогранную форму, размер которых варьировал от 800 мкм до 1,5 мм. Поверхность кристаллов была шероховатой за счет выступающих многогранных частиц размером от 200 нм до 5 мкм. Поверхность чистая, однородная, без видимого загрязнения и контаминации. После инкубации кристаллов биоактивного стела с клеточной культурой на поверхности обнаружены округлые и вытянутой формы клетки с отростками (выростами эктоплазмы), а также визуализировалось гомогенное вещество с трещинами. Размер стромальных стволовых клеток находился в диапазоне от 10 мкм до 21 мкм, в зависимости от рельефа имеющейся поверхности.