УДК 616:314-77

Применение сочетания ортофосфата кальция и полилактида в качестве материла для 3D печати аллопластических блоков

Филатова Ольга Олеговна – стоматолог-хирург, ассистент кафедры Стоматологии Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского университета.

Аксёнов Эмиль Табрисович – студент Стоматологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Аксёнов Камиль Табрисович – студент Стоматологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Аннотация: В нашей статье описан метод трехмерной печати аллопластических блоков для заполнения дефектов челюсти из смеси двух веществ: ортофосфата кальция и полилактида. Новый подход к созданию синтетических костных трансплантатов обеспечивает решение нескольких задач: в зависимости от планируемого хода операции спроектировать в специальных программах блок нужных размеров и формы, напечатать образец, не требующей примерки и ручной доработки, снизив трудозатраты и время на создание трансплантата. Тестируя описанный метод, мы сделали экспериментальный образец нижней челюсти пациентки и аллопластический блок, который могут быть использованы в оперативном лечении данного случая, а в перспективе широко применяться в оперативной стоматологии и пластической хирургии, а также в других разделах медицины. Выбранная смесь материалов для печати собой имеет ряд преимуществ, так как полилактид служит каркасом, позволяющим за счет своей структуры придать жесткую форму изготовленному образцу, а ортофосфат кальция наполняет его благодаря неправильной форме частиц имеет пористую структуру, обеспечивая прорастания сосудов в блок. Кроме того, предложенные в методике материалы биоразлагаемы, биосовместимы, биоинертны и в целом не оказывают негативного влияния на организм. При печати аллопластического блока по нашему методу полученный образец отвечает всем требованиям трансплантата, а оперативное вмешательство оказывается экономически более выгодным и для клиники, и для пациента.

Ключевые слова: аллопластический блок, 3D печать, ортофосфат кальция, полилактид, костная пластика, хирургическая стоматология.

Мощная эволюция и технический прогресс подарил миру одно из самых поразительных технологических разработок – трехмерную печать. Ее внедрение, как полезного инструмента для изготовления различных деталей, началось в 80х годах, и сейчас активно используется в оборонной промышленности, приборостроении, искусстве, ювелирном деле, строительстве, медицине. Повсеместное использование возможностей трехмерной печати сокращает временные затраты и позволяет экономно расходовать ресурсы. Среди врачей сегодня исключительные способы трехмерной печати активно применяют травматологи, специалисты по трансплантации, пластические, сосудистые, абдоминальные хирурги. Но наиболее распространены технологии трехмерной печати применяются в ортопедической стоматологии и дентальной хирургии. Здесь использование 3D печати имеет огромную роль, в частности, во время разработки плана операции и создания хирургических шаблонов [1]. На заре зарождения технологий хирургам приходилось использовать классические методы создания персонализированных образцов (например, штамповку, точение, фрезеровку), что было неудобно, долго и трудозатратно. Со временем началось внедрение в рутинную работу 3D печати (от англ. Three-Dimensional Printing Technology), которая также известна как аддитивное производство или многоуровневое производство. Это технологический процесс, во время осуществления которого несколько слоев материала наносятся друг на друга с помощью компьютера, то есть трехмерная модель производится на основе геометрических данных, заданных системой [6]. С годами технологии 3D печати становятся более широко используемыми и доступными, в том числе и в медицине, однако некоторые авторы предупреждают, что завышенные ожидания от этого метода могут не сразу оправдаться – должно пройти еще много времени, прежде чем получится решить нерешенные пока проблемы [8, 11, 14, 16].

Печать аллопластических трансплантатов трехмерной печатью имеет немало достоинств, потому что позволяет не только наметить план хирургического вмешательства, но и напечатать экземпляр каких угодно параметров и величин, принимая во внимание все персональные сложности анатомии участка – будущего операционного поля каждого пациента.

Однако на некоторых стадиях нередко возникают те или иные трудности. Хотя все, что может использоваться для операции, может быть напечатано на трехмерном принтере, одной технологии недостаточно для удовлетворения всех нужд пациента. Одной из ключевых сложностей при трехмерной печати блоков для трансплантации в медицинских целях, например, для операций в полости рта, считается проблема выбора материалов. Дело в том, что далеко не любое вещество способно комбинировать в себе физико-химические свойства, отвечающие как техническим требованиям печати, так и стандартам для трансплантации в тело человека. В других областях применения трехмерной печати используется огромное число полимеров и их смесей в различной пропорции, как синтезируемых искусственно, так и заимствованных из природных компонентов. Сырьё же для костной пластики должно обладать рядом особенностей: биоинертностью, остеопротекцией, остеоиндукцией, остеокондукцией, остеогенностью [4]. Хотя выбор современных волокон и веществ достаточно велик, нет ни одного, который полностью отвечал бы всему списку требований. Среди часто изучаемых химических составов для трехмерной печати наиболее распространены полимеры монокарбоновых кислот – гликолевой, молочной, масляной, валериановой [15], из них в клинической практике наиболее широко применяется полимолочная кислота (полилактид, ПЛА), которая относится к частично кристализованным полимерам с линейной структурой.

В хирургической практике растет число вмешательств с использованием имплантатов, выполненных из различных полимерных или биополимерных рассасывающихся материалов, которые в разные сроки в зависимости от их состава предполагаются к контролируемому замещению костной тканью.

Однако образцы из PLA расщепляются и замещаются костной тканью, по данным разных источников, не ранее, чем через 7 лет после операции [10]. По другим данным, части образца из полилактида находятся в живой кости человека не менее 5 лет. Во всех динамических клинических наблюдениях не описано случаев своевременного замещения рассасывающегося полимерного трансплантата костной тканью. При этом на российском рынке ортопедии и травматологии представлены исключительно изделия зарубежных фирм Smith&Nephew, Stryker, Depuy Mitek, Karl Storz, Inion [5]. В связи с этим разработка импортозамещающих технологий изготовления и модификации имплантатов из биоразлагаемых полимеров и их композитов не теряет актуальности.

Задачей этого эксперимента был поиск композита для трехмерного производства образцов для аллопластической трансплантации, обзор качества ПЛА и кальция ортофосфата, и разработка и изготовление на 3D принтере пробного образца нижней челюсти и трансплантата для добавления размера в ширину подверженному атрофической дегенерации альвеолярному отростку из сочетания вышеуказанных веществ.

Атрофия альвеолярного отростка – естественный процесс, у 91% пациентов происходящая вследствие потери зубов [9]. По литературным данным, всего лишь за первый год после удаления или выпадения зуба альвеолярный гребень теряет 25% костной массы, в течение следующих 3 лет объем альвеолярного отростка уменьшается на 40 - 60% [7]. В дальнейшем атрофия продолжается, и уменьшение ткани кости происходит в среднем на половину процента от объема кости за год. Значительно разрушенные альвеолярные отростки осложняют зубную имплантацию, обеспечивая внушительные сложности следующих этапов лечения и восстановления пациентов с такой проблемой [2].

В целях регенерации недостаточного объёма костной ткани используются различные трансплантаты, которые в зависимости от источника материалов подразделяются на следующие группы: донором для аутогенных материалов служит пациент, источником аллогенных - другой человек, ксеногенные материалы получают от животных; аллопластические материалы являются синтетическими [4].

Как упоминалось выше, одним из широко применяемым искусственным материалом в дентальной хирургии и пластических операциях считается полимолочная кислота, в семидесятых годах XX века она была одобрена к применению в медицинских областях FDA – управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

Полилактид является алифатическим полиэфиром на основе гидроксиалканкарбоновой кислоты, синтетическим биоразлагаемым высокомолекулярным соединением, основным продуктом деструкции которого служит молочная кислота. Из-за отсутствия в этом полимере белковых цепочек и его биоразлагаемой природы активность и наличие в теле человека полилактида не вызывает защитных ответов иммунитета, таким образом, это вещество биосовместимо с человеческими тканями. ПЛА синтезируется путем ферментации сахаридов или с использованием химического синтеза, затем подвергается полимеризации. Ввиду отсутствия термопластичности, а также нерастворимости в воде полилактид применяют чаще всего с гликолидом, чьи сополимеры синтезируют путем ионной сополимеризации [4].

Создание точно заданного по величине и форменным характеристикам образца-трансплантата не означает однозначную остеоинтеграцию имплантируемого экземпляра. Соблюдаются лишь принципы точной геометрической подгонки экземпляра к дефекту кости. В целях преодоления проблемы предлагаются различные технологические комбинации биодеградируемых полимеров, например, с кальциевыми солями ортофосфорной кислоты - ортофосфата кальция (Са3(PO4)2) и гидроксиапатитом [3, 12, 13], известными своими остеозамещающими характеристиками.

Ортофосфат кальция (Са3(PO4)2) является биосовместимым веществом, так как его химические составляющие идентичны веществам ткани кости, а продукты его метаболизма принимают участие в ионном обмене, что позволяет организму со временем замещать самостоятельно выработанным костным матриксом трансплантаты из данного вещества.

Описание эксперимента: В программу для просмотра КТ снимков (ScanIP, Simpleware) была загружена визуализация черепа пациентки И. (рис.1, 2), была детально проанализирована нижняя челюсть, где в области правой жевательной группы зубов ясно видна атрофия альвеолярного отростка. Далее, с помощью программного обеспечения для моделирования (PowerSHAPE, Delcam) сконструирован 3D образец требуемых величины и формы в целях расширения альвеолярного отростка, а после модель обработана в формате STL для печати. Затем, из смеси полилактида и ортофосфата кальция была подготовлена «катушка» для трехмерного принтера, смесь сырья загружена в экструдер, и в виде расплавленной нити применена для изготовления нужного образца.

1

Рисунок 1. КТ-визулизация черепа пациентки И. в вертикальной плоскости.

2

Рисунок 2. КТ-визулизация черепа пациентки И. во фронтальной плоскости.

Результаты: Получен трехмерный экземпляр нижней челюсти с аллопластическим трансплантатом из микса полилактида и Са3(PO4)2 (рис. 3).

3

Рисунок 3. Напечатанный образец челюсти и аллопластический блок из указанной смеси.

Выводы: материал из сочетания ПЛА и ортофосфата кальция обладает необходимыми физико-химическими характеристиками, которые требуются для изготовления аллопластических трансплантатов, а в сочетании друг с другом имеют преимущество. Полилактид служит каркасом блока для пересадки, потому что качественно держит форму, а ортофосфат кальция выступает как наполнитель, благодаря неправильной форме его гранул трансплантат имеет пористую структуру, что способствует быстрому прорастанию в кость сосудов и высокой приживаемости. Вещества для смеси биоинертные и биосовместимые, поэтому не действуют на окружающие ткани негативно, а также и на организм в целом.

Вышеописанную смесь веществ можно считать легкодоступной и выгодной точки зрения стоимости, так как ПЛА и ортофосфат кальция легко купить, а печать трансплантатов из такой смеси гораздо меньше по цене, чем из готовых зарубежных аналогов. Указанный метод печати аллопластических образцов можно считать быстрым и комфортным в применении, для их моделирования и материального создания достаточно от получаса до пары часов, и врач способен самолично спроектировать требуемый фрагмент целевых величин, имея минимальные навыки использования компьютерной программы.

Применение описанной смеси материалов дает возможность не только напечатать образец требуемых размера и формы, а еще и осуществить само оперативное вмешательство выгоднее с точки зрения стоимости как для пациента, так и для клиники.

Список литературы

  1. Багатурия Г.О. Перспективы использования 3D-печати при планировании хирургических операций // Медицина: теория и практика. 2016. № 4. C. 47-59.
  2. Базикян Э.А., Смбатян Б.С. Восстановление альвеолярного гребня верхней челюсти в дистальных отделах для установки дентальных имплантатов // Клиническая стоматология. 2008. № 2. С. 4-11.
  3. Баринов С.М., Комлев В.С. Опыт создания материалов на основе фосфатов кальция для замещения и восстановления костных тканей // Физика. 2013. Т. 56. № 12. С. 9-13.
  4. Волова Т.Г., Шишацкая Е.И. Разрушаемые биополимеры: получение, свойства, применение // М.: Красноярский писатель; 2011.
  5. Дружинина Т. В. и соавт. «Клеточные реакции на трехмерные матриксы из полимолочной кислоты и гидроксиапатита, полученные методом 3D-печати» // Бюллетень сибирской медицины. 2016. №5, С.16-29.
  6. Эртесян А.Р., Садыков М.И., Нестеров А.М. Обзор технологий 3D печати в стоматологии // Медико-профилактический журнал «Пульс». 2020. №10.
  7. Ashman A., Rosenlicht J. Ridge Preservation: Addressing a major problem in dentistry // Dent. Today.: 1993. Vol. 12. P. 80-84
  8. Chae M. P., Rozen W. M., McMenamin P. G. et al. Emerging Applications of Bedside 3D Printing in Plastic Surgery // Front Surg. 2015. 16 (2). P. 25.
  9. Fugazzotto, P.A. Treatment options following single-rooted tooth removal: A literature review and proposed hierarchy of treatment selection // J. Periodontol. 2005. Vol. 76. P. 821-831
  10. Jukkala-Partio K., Laitinen O., Vasenius J., Partio E.K., Toivonen T., Tervahartiala P., Kinnunen J., Rokkanen P. Healing of subcapital femoral osteotomies fixed with self-reinforced poly-Llactide screws. An experimental long-termstudy in sheep // Orthop. Trauma Surg. 2022. № 122: P. 360–364.
  11. Mendez B. M., Chiodo M. V., Patel P. A. Customized In-Office" Three-Dimensional Printing for Virtual Surgical Planning in Craniofacial Surgery // J Craniofac Surg. 2015/ № 26 (5):1584–6.
  12. Shishatskaya E.I., Khlusov I.A., Volova T.G. A hybrid PHB-hydroxyapatite composite for biomedical application: production, in vitro and in vivo investigation // Biomater. Sci. Polymer Edn. 2006; 17 (5): 481–498.
  13. Tverdokhlebov S.I., Bolbasov E.N., Shesterikov E.V., Antonova L.V., Golovkin A.S., Matveeva V.G., Petlin D.G., Anissimov Y.G. Modification of polylactic acid surface using RF plasma discharge with sputter deposition of a hydroxyapatite target for increased biocompatibility // Surf. Sci. 2015; 329: 32–39.
  14. Vodiskar J., Kütting M., Steinseifer U. et al. Using 3D Physical Modeling to Plan Surgical Corrections of Complex Congenital Heart Defects. Thorac Cardiovasc Surg. 2016 May 13. DOI:10.1055/s‑0036–1584136
  15. Volova T.G. Polyhydroxyalkanoates – Plastic materials of the 21st century: production, properties, application. NY: Nova Science Pub., 2004: 282.
  16. Wu C., Tan L., Lin X. et al. Clinical application of individualized reference model of sagittal curves by three-dimensional printing technique and сomputer-aided navigation system for lumbar spondylolisthesis. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2015;29 (6):734–40.

Интересная статья? Поделись ей с другими: