Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс во многих областях современной медицины связан с появлением сложных технических устройств, разработкой новых технологий и материалов. Особые требования предъявляются к материалам, используемым для изготовления имплантируемых устройств и изделий предназначенных для длительного функционирования в среде организма (системы искусственного сердца и вспомогательного кровообращения, сосудистые и клапанные протезы, офтальмологические и урологические устройства) - биостойкость, отсутствие их кальцификации. Под кальцификацией - наиболее частом осложнении на дальних сроках имплантации искусственных органов, - понимается формирование кальцийсодержапдах отложений, приводящее к потере функциональных свойств протезов. Целенаправленная разработка методов профилактики этого осложнения, включая использование новых материалов и модифицирующих технологий, невозможна без понимания механизма процесса кальцификации, знания его этапов и закономерностей их протекания.
Существует два основных подхода к исследованию механизма кальцификации имплантируемых искусственных органов: 1) экспериментальное изучение механизма кальцификации биоматериалов и факторов, влияющих на склонность биоматериалов к кальцификации [Nose Y. 1981; Schoen F.J. 1988 и др.]; 2) анализ клинических данных (отдаленные результаты имплантации [Малиновский Н.Н. 1988; Барбараш Л.С. 1991; Bortolloti U. 1991, Дземешкевич С.Л. 1994 и др.]. Следует отметить меньшую проработанность первого направления, что приводит к преобладанию эмпирического подхода в разработках методов ингибирования кальцификации. Развитие современных методов исследования, таких как сканирующая электронная микроскопия с рентгеновским микроанализом, позволяющих получить информацию о морфологических особенностях и составе кальцийсодержащих отложений, участии клеточных компонентов крови, приводит к появлению новых данных о механизме кальцификации.
Большинство гипотез о механизме кальцификации биоматериалов признают необходимость участия погибших клеток в развитии этого процесса. Практически отсутствуют исследования взаимосвязи первичных стадий кальцификации с фор-
мированием нерастворимых отложений. Нет четкого понимания роли компонентов плазмы крови (белков, липидов) в процессе кальцификации. В связи с вышеизложенным, изучение механизма формирования кальцийсодержащих отложений на поверхности и в объеме имплантата является актуальным.
Цель работы
Целью работы являлось исследование в условиях in vitro и in vivo механизма формирования кальцийсодержащих отложений на поверхности биоматериалов без их прямого контакта с клетками методом сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным рентгеновским микроанализом.
Задачи исследования
Исходя из поставленной цели, основные задачи работы сводились к следующему:
определить необходимость участия клеток в формировании кальцийсодержащих отложений;
провести анализ динамики формирования кальций- и фосфорсодержащих отложений при кальцификации различных биоматериалов;
разработать неразрушающий метод количественного определения сорбированного биоматериалами кальция;
исследовать склонность к кальцификации различных полимерных материалов, используемых при изготовлении имплантируемых искусственных органов.
Научная новизна
-
В экспериментах їй vivo с использованием микропористых камер, исключающих контакт клеток с материалом, обнаружены кальцийсодержащие отложения.
-
Доказано, что формирование кальцийсодержащего белкового слоя на биоматериале является необходимым условием для зарождения и развития нерастворимых отложений гидроксиапатита.
-
Показано, что образование зародышей нерастворимых солей фосфатов кальция начинается преимущественно в глубине, а не на поверхности адсорбированного слоя белка.
-
В условиях in vivo исследована динамика формирования кальциисодержащих отложений на биоматериалах различной приро
ды. Установлена связь последовательности раздельного накопления минералообразующих компонентов с химическим составом материала.
-
Обнаружено, что предадсорбция на поверхности биоматериалов комплексов, в состав которых входит альбумин, ускоряет формирование кальциисодержащих отложений.
-
Разработан и экспериментально обоснован неразрушающий количественный метод определения кальция на биоматериалах по данным знергодисперсиопного рентгеновского микроанализа.
Практическая значимость
Показано, что комплексное использование метода электронной сканирующей микроскопии с рентгеновским энергодисперсионным микроанализом позволяет получить качественно новую информацию о механизме начальных стадий кальцификации биоматериалов.
Экспериментальная модель имплантации образцов биоматериалов в камерах, исключающих прямой контакт с клетками, дает возможность изучать влияние гуморальных факторов и лекарственных препаратов на процесс патологической и физиологической кальцификации в условиях in vivo.
Доказано, что при исследовании процесса кальцификации in vivo необходимо учитывать влияние условий эксперимента (замкнутое пространство с замедленным обновлением среды) на количество кальциисодержащих отложений на поверхности биоматериалов.
Разработанным количественным методом определения кальция на поверхности биоматериалов можно оценивать склонность полимерных материалов к кальцификации в условиях кратковременных (до 7 дней) испытаний in vitro.
Полученные данные о механизме формирования кальциисодержащих отложений на биоматериалах позволяют проводить целенаправленную разработку способов ингибирования кальцификации.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы были представлены на VIII Всесоюзном симпозиуме "Синтетические полимерные материалы медицинского назначения", (Киев, 1989); на семинаре фармацевтического факультета Университета штата Юта, США (Солт-Лейк-Сити, 1989); на семинаре отдела искусственных органов Кливлендской клиники, США (Кливленд, 1989); Конференции американского общества искусственных органов (ASAIO, 1991); 1-ом Всесоюзном симпозиуме "Экспериментальная сердечно-сосудистая хирургия" (Суздаль, 1991); IV Всемирном конгрессе по Биоматериалам (Берлин, 1992); V Российско-Американском симпозиуме "Системы вспомогательного кровообращения и биоматериалы" (Москва, 1994).
Публикации
Результаты выполненных исследований отражены в 13 печатных работах, опубликованных в России и за рубежом.
Место выполнения работы
Данная работа вьшолнялась в Институте трансплантологии и искусственных органов (директор - академик В.И.Шумаков) в Центре по исследованию гёмосовместимых биоматериалов (руководитель - проф. В.И.Севастьянов). Экспериментальные исследования на животных осуществлялись совместно с Институтом сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н.Бакулева с лабораторией биопротезирования клапанов сердца (заведующий - проф. Б.А.Фурсов).
Структура работы
