eng
Содержание
Содержание
1.3
Интегрированное использование книги и модуля компакт- диска 1.5 Рекомендации по самообучению 1.7 Решают ли трансплантаты проблему запасных частей?
1.8
Имплантаты и протезы в качестве запасных частей
1.9
Ограниченность применения имплантатов 1
Часть I Понятие о живых и неживых материалах.
Э. ДЖЕЙН МИНЕЙ и АЛЬДО Р. БОККАЧЧИНИ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
2.3
Микроструктура . 2.7 Эффект памяти формы и сверхэластичность 2.12 Список литературы
3
Керамика
АЛЬДО Р. БОККАЧЧИ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
3.1
Введение
3.2
Атомные связи и расположение атомов в керамике
3.3
Микроструктура керамики
3.4
Механические свойства керамики
3.5
Обработка керамики
3.6
Воздействие технологии производства на микроструктуру и свойства
3.7
Клинические требования
3.8
Выводы
3.9
Список литературы
4
Полимеры
РОБЕРТ Г. ХИЛЛ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
4.1
Введение
4.2
Конфигурация и конформация полимеров
4.3
Регулярность молекулярной структуры
4.4
Температура стеклования
4.5
Технология обработки полимеров
4.6
Свойства полимеров
4.7
Полимерные композиты
4.8
Выводы
4.9
Список литературы
5
Биокомпозиты
ЯН Д. ТОМПСОН, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
5.1
Введение
5.2
Биоактивные керамические полимерные композиты
5.3
Критерии конструирования для биокомпозитов
5.4
Инертные керамические композиты
5.5
Рассасывающиеся полимерные матрицы
5.6
Выводы
5.7
Основные положения
5.8
Список литературы
6
Клетки и ткани
ДЖУН УИЛСОН ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
6.1
Введение
6.2
Определения
6.3
Эпителий
6.4
Соединительная ткань
6.5
Мышца
6.6
Нервная ткань
6.7
Выводы
6.8
Список литературы
7
Воспаление и заживление ран
ДЖУН УИЛСОН ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
7.1
Введение
7.2
Определения
7.3
Воздействие имплантации
7.4
Нормальное заживление ран
7.5
Заживление ран и имплантаты
7.6
Взаимодействие имплантата и ткани
7.7
Выводы
7.8
Список литературы
Часть II Клинические потребности и понятие ремонта
8
Система скелета
ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
8.1
Введение
8.2
Структурные компоненты кости
8.3
Микроструктурные особенности кости
8.4
Биомеханика кости: анизотропия свойств кости
8.5
Влияние возраста на кость
8.6
Влияние скорости деформирования на кость
8.7
Усталостное разрушение кости
8.8
Перелом кости
8.9
Структура сухожилий и связок
8.10
Механическое поведение сухожилий и связок
8.11
Хрящ
8.12
Выводы
8.13
Сердечно-сосудистая система
М. ДЖОН ЛЕВЕР, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
9.1
Введение
9.2
Сердечно-сосудистая патология
9.3
Контроль и лечение сердечно-сосудистых патологий
9.4
Выводы
9.5
Список литературы
10
Биомедицинские полимеры
РОБЕРТ Г. ХИЛЛ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
10.1
Введение
10.2
Биоинертные полимеры
10.3
Биорассасывающиеся полимеры
10.4
Выводы
10.5
Список литературы
11
Биомедицинские гидрогели
ДЖЕЙСОН А. БУРДИК, Университет Пеннсильвании, США и МОЛЛИ M. СТИВЕНС, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
11.1
Введение
11.2
Механизмы образования гидрогеля
11.3
Свойства гидрогеля
11.4
Типы гидрогелей
11.5
Гидрогели для сфер применения инжиниринга тканей
11.6
Выводы
11.7
Список литературы
Часть III Ремонт скелетных тканей
ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
12.1
Введение
12.2
Механизмы и скорости ремонта кости
12.3
Проблемы фиксации перелома
12.4
Ортопедические металлы
12.5
Средства фиксации перелома
12.6
Биоактивные материалы в качестве костных трансплантатов
12.7
Выводы
12.8
Список литературы
13
Замена суставов
ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
13.1
Введение
13.2
Замена тазобедренного сустава
13.3
Механизмы разрушения
13.4
Долговечность полной замены бедра
13.5
Новые разработки для улучшения долговечности
13.6
Замена коленных суставов
13.7
Замена голеностопных суставов
13.8
Замена плечевых суставов
13.9
Замена локтевых суставов
13.10
Замена пальцевых суставов
13.11
Протезный межпозвоночный диск
13.12
Выводы
13.13
Основные определения
13.14
Список литературы
14
Искусственные органы
ДЖУЛИАН Р. ДЖОУНС, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
14.1
Введение
14.2
Почки
14.3
Сердце
14.4
Легкие
14.5
Печень
14.6
Поджелудочная железа
14.7
Кожа
14.8
Ухо
14.9
Глаз
14.10
Нос
14.11
Гортань
14.12
Выводы
14.13
Список литературы
15
Процессы перемещения масс в искусственных органах
М. ДЖОН ЛЕВЕР, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
15.1
Введение
15.2
Конвекция
15.3
Диффузия
15.4
Взаимодействие конвекции и диффузии
15.5
Дисперсия
15.6
Список литературы
16
Искусственные системы обмена
M. ДЖОН ЛЕВЕР, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
16.1
Введение
16.2
Вязкость крови
16.3
Воздействие сдвига на клетки крови
16.4
Взаимодействие крови и воздуха
16.5
Поток крови в искусственных устройствах
16.6
Обменники
16.7
Диализ
16.8
Выводы
16.9
Основные определения
16.10
Список литературы
17
Системы сердечно-сосудистой стимуляции
М. ДЖОН ЛЕВЕР, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
17.1
Введение
17.2
Клапана сердца
17.3
Насосы
17.4
Протезы сосудов
17.5
Выводы
17.6
Основные определения
17.7
Список литературы
Часть IV Инжиниринг тканей
18
Введение в инжиниринг тканей
ЛИ Д.К. БАТТЕРИ, Университет Ноттингема, Великобритания и ЭНН E. БИШОП, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
18.1
Введение
18.2
Задача
18.3
Источники клеток
18.4
Влияние культурных традиций
18.5
Трехмерные взаимодействия
18.6
Перепрограммирование клеток
18.7
Будущая перспектива
18.8
Выводы
18.9
Основные определения
18.10
Список литературы
19
Каркасы для инжиниринга тканей
ДЖУЛИАН Р. ДЖОУНС, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
19.1
Введение
19.2
Классы потенциальных каркасных материалов
19.3
Критерии идеального каркаса
19.4
Полимерные каркасы
19.5
Биоактивные керамические каркасы
19.6
Биоактивные стеклянные каркасы
19.7
Композиты
19.8
Контроль архитектуры
19.9
Выводы
19.10
Список литературы
Part V Общественные, регуляторные и этические проблемы
23
Регуляторная классификация биоматериалов и медицинских устройств
ДЕЙВИД К ГРИНСПЭН, ЮЭС Байоматериалз, США и ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
23.1
Введение
23.2
Как организовано регулирование медицинских устройств?
23.3
Классификация медицинских устройств
23.4
История регулирующих агентств
23.5
Что такое отметка Совета Европы?
23.6
Отличия правил Федерального Управления по саннадзору за качеством медикаментов (FDA) от правил ЕС
23.7
Как компании проходят процесс оформления FDA?
23.8
Выводы
23.9
Передача технологии
ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
24.1
Введение
24.2
Пути передачи технологии
24.3
Эффективная передача технологии
24.4
Факторы, влияющие на быстроту передачи технологии
24.5
Альтернативные пути коммерциализации биоматериалов
24.6
Выводы
24.7
Список литературы
25
Этические вопросы
ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ, Имперский Колледж Лондон, Великобритания
25.1
Введение
25.2
Этическая проблема
25.3
Моральные неопределенности
25.4
Общие моральные принципы
25.5
Принципы справедливого распределения благ
25.6
Последствия теоретической проблемы
25.7
Источники конфликта
25.8
Конкретные этические беспокойства в связи с биоматериалами
25.9
Выводы
25.10
Список литературы
Индекс
Введение
ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ
Имперский Колледж Лондон, Великобритания
1.1 Книга и модуль компакт-диска
В данной книге реализован новый подход к преподаванию предмета биоматериалов, искусственных органов и инжиниринга тканей, находящегося на стыке многих дисциплин. Эти три темы широкой области биомедицинского инжиниринга вместе включены в данную книгу в силу своей научной, технологической и клинической взаимозависимости. Например, биоматериалы являются критическими компонентами искусственных органов и служат в качестве каркасов в инжиниринге тканей. Понимание межповерхностного взаимодействия живых клеток с искусственными материалами является принципиальным для всех трех областей. Быстрое развитие клеточной и молекулярной биологии способствует разработке новых биоматериалов и их использованию в протезах, искусственных органах и конструктах, полученных посредством инжиниринга тканей. Не отстать от быстро развивающихся событий в этих областях – это нелегкая задача.
Цель настоящей книги – решить данную задачу тремя путями:
1. Книга включает 25 глав, разделенных на пять частей. В этих пяти частях книги содержится введение и обзор живых и искусственных биоматериалов; различных систем тела человека и их клинических потребностей в регенерации; различных типов имплантатов, устройств и протезов, используемых для восстановления органов тела; принципов, лежащих в основе альтернативных типов искусственных органов; научной базы и случаев применения инжиниринга тканей; далее следует рассмотрение социально-экономических и этических аспектов, влияющих на восстановление и замену частей тела человека. Каждая глава соответствует часовой или двухчасовой лекции в рамках курса продолжительностью в один семестр для студентов продвинутого уровня обучения.
2. Каждая из 25 глав в книге дополнена богато иллюстрированной лекцией на компакт-диске. Компакт-диск в качестве приложения книги находится на внутренней стороне ее задней обложки.
3. Компакт-диск также содержит вопросы для самоконтроля по каждой главе. Эти вопросы предназначены для того, чтобы проверить знания каждой главы и закрепить то, что пройдено. Ответы приведены отдельно для того, чтобы повторить пройденный материал каждой главы.
Сочетание дополнительных лекций на компакт-диске, вопросов для самоконтроля и ответов называется здесь и далее модулем компакт- диска.
1.2 Цели и задачи
Цель книги и модуля компакт-диска заключается в следующем:
1. Дать представление о потребностях, применении и ограниченности применения материалов и устройств для ремонта, замены или усиления функций живых тканей и органов тела человека.
2. Установить биомеханические принципы и биологические факторы, относящиеся к достижению долгосрочной стабильности замененных частей организма.
3. Проанализировать принципы и случаи применения инжиниринга тканей для замены частей организма.
4. Рассмотреть промышленные, государственные и этические вопросы в связи с использованием искусственных материалов и устройств в организме человека.
5. Углубить понимание читателем сложного междисциплинарного характера биомедицинских материалов, биомеханики, полной замены суставов, искусственных органов и инжиниринга тканей, а также значение и способы взаимодействия с широкими слоями людей, включая клиницистов, пациентов, представителей промышленности и правительства.
Основные задачи учебника и модуля компакт-диска
После изучения данной книги и модуля компакт-диска студент сможет:
• Отличать различные составляющие организма человека, описывать их функции и объяснять воздействие старения на структуру и функцию различных групп тканей и органов.
• Давать описание основных классов биомедицинских имплантатных материалов, средств их фиксации, их стабильности и преимуществ, а также недостатков при использовании в качестве имплантатов, устройств, а также в искусственных органах.
• Обсудить типы разрушения имплантатов, устройств и протезов в различных случаях клинического применения, а также причины такого разрушения.
• Дать описание физиологических принципов, связанных с заменой различных частей организма искусственными органами, трансплантатами или конструктами, полученными посредством инжиниринга тканей, а также возникающих в этой связи клинических компромиссов.
• Обсудить данные, касающиеся возможности медицинских устройств служить в течение всего срока жизни человека, а также коррелировать клинический успех с характеристикой биоматериала, конструкцией устройства и клиническими переменными.
• Рассматривать клинические и социально-экономические факторы использования имплантатов, трансплантатов, искусственных органов и конструктов, полученных посредством инжиниринга тканей, включая промышленные, государственные аспекты, вопросы регулирования и этики.
• Защищать относительные достоинства замены органа тела конструктом, полученным посредством инжиниринга тканей, рассматривать принципы выращивания частей организма in vitro и излагать связанные с этим физиологические и клинические ограничения.
• Исследовать литературу в поисках новых разработок в области замены тканей и органов.
• Доводить до сведения специалистов здравоохранения, пациентов, представителей бизнеса и государства альтернативные средства восстановления или замены органов.
Конкретные задачи
В книгу включено пять частей и модуль компакт-диска. В следующем перечне приведено то, что сможет освоить студент, прочитав каждую часть до конца.
Часть I: Понятие о живых и неживых материалах
• Описывать микроструктуру металлов, керамики, полимеров и композитных материалов.
• Сравнивать механическую прочность и усталостные свойства различных материалов с их микроструктурой.
• Сравнивать технологии обработки для производства различных материалов и объяснять, как влияет обработка на микроструктуру, свойства и надежность материалов.
• Давать описание частей клетки и их значения в функции клетки, размножении и дифференцировке.
• Различать четыре типа тканей и описывать их функцию.
• Давать определение понятию биосовместимости и описывать способ испытания биосовместимости.
• Объяснять механизм и значение воспалительных реакций в тканях, контактирующих с биоматериалами, и их значение для заживления ран и долгосрочного прогноза для имплантатов и искусственных органов.
Часть II: Клинические потребности и понятие о регенерации тканей.
• Давать определение и сравнивать отличия имплантатов и трансплантатов, а также их относительные достоинства и недостатки.
• Классифицировать типы тканей и органов в теле человека и их функции в связи с заменой на искусственные материалы.
• Описать влияние возраста на структуру и свойства опорно-двигательной, сердечно-сосудистой системы, органов чувств и других систем.
• Отличать различные категории имплантатируемых материалов и устройств, а также средства их фиксации к различным физиологическим системам.
Часть III. Сферы применения
• Опознавать кости, сухожилия и связки скелета человека и описывать их механические свойства как функцию ультраструктуры, микроструктуры и макроструктуры.
• Описывать механизмы восстановления скелетных тканей как функцию режима отказа и возраста пациента.
• Подбирать типы фиксации и устройства замены суставов для различных типов ремонта системы скелета и объяснять достоинства и недостатки применения каждого типа устройств в отношении к решаемой клинической проблеме.
• Сравнивать физические свойства металлических сплавов, медицинских полимеров и биокерамики, используемых для фиксации ортопедических переломов и общей замены сустава.
• Анализировать причины отказа ортопедических протезов.
• Описывать воздействие модуля упругости на экранирование кости от напряжений.
• Сравнивать относительные достоинства различных систем тотального бедра, тотального колена, плеча и позвоночника с точки зрения долгосрочной выживаемости путем использования кривых выживаемости Каплана-Мейера.
• Определять биоактивность и сравнивать биоактивную фиксацию с цементной фиксацией или морфологической фиксацией протезов.
• Обсуждать полимерные материалы, не разрушающиеся в физиологической среде, а также их применение в медицинских устройствах.
• Описывать полимерные материалы, характеризующиеся контролируемыми темпами рассасываемости в организме, в частности, такие, которые используются в хирургических швах, а также механизмы резорбции, воздействие времени и нагрузки на скорость резорбции.
• Описывать механизмы поверхностных реакций, участвующих в свертываемости крови и поверхностных характеристик гемосовместимых полимеров, а также соприкасающихся с кровью устройств, изготовленных из таких материалов.
• Понимать, как механические устройства могут заменять функцию систем органов в организме, включая сердце, кровеносные сосуды, легкие, почки и органы чувств.
• Описывать принципы конструирования для эффективного функционирования искусственных органов, включая их эффективность с точки зрения свойств материала, обменных процессов, поддержания соответствующего потока крови и совместимости с общей функцией в организме.
• Умение описывать специалистам здравоохранения и пациентам достоинства, недостатки и ограничения искусственных органов.
Часть IV: Инжиниринг тканей
• Обсуждать для любого конкретного применения инжиниринга тканей значение анализа источников клеток для содействия регенерации, включая соматические стволовые клетки, эмбриональные стволовые клетки и ‘зрелые’ клетки представляющей интерес ткани.
• Обсуждать основные принципы клеточной культуры и характеризовать различные типы клеток с помощью таких методов, как иммуноцитохимия, сканирующая (растровая) электронная и конфокальная микроскопия для опознания специфичных для клеток маркеров и генов.
• Анализировать процессы деления и дифференцировки клеток, синтеза внеклеточного матрикса и апоптоза (гибели клеток), а также обсуждать взаимоотношение между этими событиями.
• Обсуждать значение способности контролировать механизмы деления и дифференцировки клеток, апоптоза при разработке стратегии регенерации тканей и определять способы достижения этой задачи путем мониторинга цитокинов клетки.
• Понимать значение перевода данных, полученных из однослойных клеточных культур в клинически применимые типы клеток и тканей.
• Обсуждать взаимодействие между клетками и каркасом и понимать, как состав и архитектура каркасов может влиять на крепление клеток, их рост и дифференцировку.
• Обсуждать конкретные примеры того, где разрабатываются стратегии инжиниринга тканей, во-первых, для содействия восстановлению и регенерации с основным упором на кость, хрящ и кожу, и во-вторых, для понимания необходимости оценки механической прочности и интеграции тканей.
Часть V: Социальные, нормативные и этические вопросы
• Перечислять этапы, которые необходимо пройти для утверждения регулирующими органами правительства применения медицинского устройства в организме человека.
• Рисовать схему пяти направлений передачи технологии нового биомедицинского материала или устройства от лаборатории в производство и анализировать графики затрат и времени, относящиеся к каждому направлению.
• Перечислять экономические, социальные и нормативные барьеры, препятствующие передаче нового биомедицинского материала, устройства или конструкта инжиниринга тканей на рынок или в клинику.
• Обобщать различные юридические вопросы, лимитирующие применение имплантатируемых устройств, искусственных органов и конструктов, полученных посредством инжиниринга тканей.
• Понимать концепцию, применение и ограничение трех основных принципов этической теории.
• Вести спор по этическим вопросам, касающимся применения и неправильного применения имплантатов, устройств, искусственных органов и конструктов инжиниринга тканей, используя этические и моральные принципы.
• Анализировать различные клинические случаи, требующие применения имплантатов, трансплантатов или конструктов инжиниринга тканей с точки зрения научных, экономических и этических принципов.
1.3 Совместное использование книги и модуля компьютерного диска
Книга и модуль компьютерного диска предназначены для одновременного использования в качестве учебного пособия. Каждая глава книги дополняется лекцией, вопросами для самоконтроля и ответами. Соотношение между главой книги и соответствующим разделом на модуле компьютерного диска следующие:
Книга Модуль компьютерного диска
Глава 2 Металлы Глава 2 Металлы
2.1 Введение Лекция в программе PowerPoint®
2.2 Металлическая связь Дополнительный лекционный текст и рисунки
2.3 Микроструктура
2.4 Механические свойства Вопросы самоконтроля
2.5 Усталостные свойства Вопросы самоконтроля по Главе 2
2.6 Твердость и износ Ответы на вопросы самоконтроля
2.7 Эффект памяти формы и суперэластичность Ответы на вопросы самоконтроля по Главе 2
2.8 Коррозия
2.9 Воздействие обработки на структуру, свойства и надежность
2.10 Клинические требования
2.11 Выводы
2.12 Список литературы для чтения
В каждой главе книги вы найдете ссылки на соответствующую лекцию в модуле компьютерного диска. Некоторые рисунки в главах книги также приводятся в соответствующей лекции в программе PowerPoint® по главе. В этих случаях вы увидите как номер главного рисунка, так и (в скобках) его номер в лекции в программе PowerPoint®. Эти ссылки приводятся для того, чтобы вам легче было устанавливать соответствие между лекцией в программе PowerPoint® и главой книги.
1.4 Использование компьютерного диска
1. Вставьте компьютерный диск в дисковод.
2. Компьютерный диск должен автоматически запуститься. Если он не запускается автоматически, откройте программу Microsoft Internet Explorer® на своем компьютере и откройте файл index.html.
3. Выполняйте инструкции на домашней странице.
Обращаем внимание на то, что лекции выполнены в программе Microsoft PowerPoint®, а вопросы для самоконтроля и ответы – в формате PDF.
1.5 Рекомендации для самообразования
Читатель должен использовать книгу и модуль компьютерного диска следующим образом:
1. Рекомендуем начинать работу с книги, которая содержит изложение важнейших тем по данному предмету.
2. По каждой главе изучите соответствующую лекцию в PowerPoint®.
3. Ознакомьтесь и ответьте на вопросы для самоконтроля.
4. Проверьте свои ответы на вопросы для самоконтроля.
5. Если после подсчета ваша сумма баллов окажется меньше 80%, рекомендуем еще раз повторить соответствующий материал.
Если вы будете выполнять эти этапы работы, то вы сможете разобраться в данной тематике достаточно глубоко для чтения литературы в данной области и обсуждения и, возможно, даже ведения дискуссии со специалистами по этой теме.
1.6 Обзор
С 60-х годов 20-того века использование биомедицинских материалов для восстановления, замены или укрепления пораженных болезнью, поврежденных или изношенных частей организма, расширилось в огромной степени. В настоящее время используется более 40 различных материалов для замены более 40 различных частей тела. Количество имплантируемых устройств в мире составляет от 4 000 000 до 5 000 000 в год. Многие миллионы пациентов с радостью почувствовали ослабление боли, усиление функциональности и улучшение качества жизни благодаря успеху биомедицинских материалов, а также изготовленных из них имплантатов и устройств. Искусственные органы используются в повседневном практике для продления жизни и сохранения качества жизни для многих тысяч пациентов в тех случаях, когда трансплантация органов невозможна. Достижения, произошедшие в биологии и в области биомедицинских материалов, в настоящее время делают возможным выращивать живые конструкты вне организма и использовать их в качестве инжиниринговых тканей для регенерации или замены пораженных или поврежденных тканей.
Цель настоящей книги и модуля компьютерного диска заключается в том, чтобы предоставить короткое обозрение применения искусственных материалов в качестве медицинских имплантатов в различных клинических сферах применения, включая искусственные органы и инжиниринг тканей. Книга предназначена для использования в процессе обучения в течение одного семестра студентов третьего или четвертого курса или первого курса подготовки аспирантов. Предполагается, что многие студенты, возможно, имеют только минимальный уровень подготовки как в области материалов, так по биологическим дисциплинам. Следовательно, в Части I (Главы 2-5) обобщенно рассматриваются металлы, керамика, полимеры и композиты, применяемые для медицинских целей. В Главе 6 приводится обзор клеток и типов тканей и их иерархических структур, влияющих на межповерхностное поведение материалов в организме. В Главе 7 обобщенно анализируются механизмы заживления ран и воспалительная реакция тканей на имплантаты. Если вы уже знакомы с этими темами, вам следует сразу же переходить к Части II.
В Части II делается упор на клинические потребности и концепции восстановления, замены костей и суставов, сердечно-сосудистой системы и других физиологических систем, связанных с мягкими соединительными тканями. В силу значения биомеханики и качества скелетных тканей для долгосрочного успеха ортопедических имплантатов, в Главе 8 анализируется структура и биомеханические свойства кости, хряща, связок и сухожилий и физиологические механизмы регенерации. В Главе 9 дается описание структуры и функции сердца и артериальной системы и их режимов отказа. В Главах 10 и 11 обсуждается применение полимеров и гидрогелей в качестве материалов для имплантатов.
Часть III состоит из шести глав, описывающих материалы и методы, используемые для регенерации костей, сухожилий и связок (Глава 12), замены суставов (Глава 13), принципов инжиниринга искусственных органов (Глава 14), процессов транспорта масс в искусственных органах (Глава 15), искусственных систем обмена для замены органов (Глава 16) и систем сердечно-сосудистого вспоможения (Глава 17).
Часть IV знакомит читателя с новой, только что возникающей областью инжиниринга тканей (Глава 18), типами каркасов, которые могут использоваться в качестве шаблонов для выращивания тканей (Глава 19), методами, используемыми для выращивания клеток и тканей вне организма (Глава 20) и методами анализа и оптимизации поведения клетки для обеспечения роста ткани (Глава 21). В Главе 22 описываются основные сферы применения технологий инжиниринга тканей для регенерации частей организма и клинические успехи.
В последней части книги и модуле компьютерного диска рассматривается множество вопросов общественного значения, касающихся разработки, коммерциализации и клинического использования имплантатов и трансплантатов. Обеспечение воспроизводимости свойств и долгосрочной клинической эффективности требует определения характеристики материалов и программы контроля качества. Все медицинские устройства должны соответствовать международным стандартам и удовлетворять нормативным требованиям, рассматриваемым в Главе 23. Многие этапы и потенциальные барьеры, препятствующие передаче новой технологии биомедицинских материалов из области лабораторного открытия в область коммерческого и клинического применения, описаны в Главе 24. Этические принципы, регулирующие применение биомедицинских устройств, имплантатов и трансплантатов, рассматриваются в Главе 25 вместе с примерами этических проблем.
1.7 Являются ли трансплантаты решением проблемы запасных частей?
Одним из вариантов замены пораженных болезнью или поврежденных частей организма является использование уже живой ткани, часто в виде органа, в качестве ‘запасной части’. Примером может служить трансплантат ‘сердца-легких’.
‘Трансплантат’ – это ткань или орган, перемещенные из одного организма или части организма в другой или другую. Коронарные шунты с использованием собственных подкожных вен ноги пациента или артродез позвонков с использованием кости из подздошного гребня являются примерами трансплантатов.
Альтернативные типы трансплантатов
‘Аутотрансплантат’ (трансплантат ткани или органа из одной части человека в другое место того же человека). Аутотрансплантаты часто считаются ‘золотым стандартом’ в хирургии. Однако, их наличие ограничено, и аутотрансплантаты могут со временем разрушаться из-за разницы в их физиологической нагрузке и биологической среде в зоне трансплантата.
‘Аллотрансплантат’ (трансплантат ткани или орган от одного человека другому). Генетические отличия, приводящие к отторжению иммунной системой, а также наличие или доступность аллотрансплантатов – это основные факторы, лимитирующие использование аллотрансплантатов.
‘Ксенотрансплантат’ (трансплантат ткани или органа от другого вида человеку). Возросшая обеспокоенность генетическими аспектами этого вида трансплантатов, потенциально снимаемая генетическим инжинирингом животного с целью создания ‘трансгенных видов’, ограничивает применение ксенотрансплантатов. В настоящее время технические и этические проблемы ограничивают применение ксенотрансплантатов заменами неживой ткани, например, клапан сердца свиньи и деминерализованная бычья кость в качестве суррогата костного трансплантата.
1.8 Имплантаты и протезы в качестве запасных частей
Из-за ограниченности наличия, иммунного отторжения и других проблем, связанных с использованием трансплантатов, большая часть потребности в запасных частях организма человека обеспечивается имплантатами, что составляет 5 000 000 в год.
Имплантаты определяются как ‘искусственный материал или устройство, вставленное или вложенное хирургически в организме’. Поскольку имплантаты – это искусственные продукты, изготовленные человеком, которые не содержат чужеродных белков, они не вызывают иммунной реакции организма-хозяина.
‘Протез’: Изготовленное человеком устройство, используемое внутри организма для замены, восстановления или усиления пораженной болезнью, поврежденной или отсутствующей части тела. (Имплантаты и протезы часто используются в качестве синонимов).
Примерами большого количества имплантатов или протезов, ежегодно применяемых в США, являются следующие: кардиостимуляторы (200 000), клапаны сердца (40 000), внутриглазные линзы (1 000 000) и трубки аэрации среднего уха (миринготомия) (CD Рис. 1.5). Количество имплантатов, ежегодно используемых в США для восстановления костей и суставов, такое же значительное. Вот примеры: замена сустава (500 000), устройства временной фиксации (1 000 000), а также хирургия позвоночника (400 000) (CD Рис. 1.5). Годовое количество имплантатов в Европе приблизительно равно количеству имплантатов в США.
Быстрому расширению использования имплантатов и протезов способствовало несколько факторов:
1. Число лиц старше 50 лет в общей массе населения резко увеличивается. Это связано с увеличением среднего возраста на одного человека в сочетании с ростом населения мира (CD Рис. 1.4).
2. Прогрессирующее с возрастом ухудшение качества соединительных тканей (CD Рис. 1.6-1.10). На Рис. 1.6 на компьютерном диске показаны значительные изменения, происходящие в кости, начиная с 30-тилетнего возраста и старше. Потеря кости является в особенности острой в случае женщин в менопаузе из-за силу гормональных факторов; к 70 годам потеря массы кости может составлять до 50%. Это состояние называется ‘остеопорозом’ и является причиной перелома длинных костей, бедер и коллапса позвонков у миллионов женщин.
3. Увеличение уверенности хирургов в том, что имплантаты обеспечат улучшение качества жизни пациентов. Это частично объясняется тем, что многие протезы характеризуются высокой выживаемостью. Например, ортопедические устройства, имплантированные с использованием полиметилметакрилата (PMMA) ‘костного цемента’ могут частично нагружаться пациентом через день после операции (CD Рис. 1.23, 1.24). Амбулаторный пациент выздоравливает после операции быстрее, и воздействие тяжести стимулирует восстановление кости. Применение ортопедических имплантатов делает возможным облегчить хронические боли, связанные со многими болезнями разрушения суставов. Большое количество внутриглазных линз и их продолжительная выживаемость значительно улучшает зрение миллионов пожилых пациентов и создает впечатление того, что все части, заменяющие органы, будут иметь такой же успех (CD Рис. 1.14, 1.15).
4. Увеличение уверенности пациентов в том, что протезы являются приемлемыми, фактически предпочтительными решениями проблемы хронической боли.
5. Улучшение хирургического мастерства, оборудования и оснащения свели до минимума большинство осложнений, связанных с основными видами операций, в частности, инфекции. Следовательно, отмечается долгосрочный успех таких жизненно важных устройств, как кардиостимуляторы (CD Рис. 1.16) и протезы клапанов сердца (CD Рис. 1.17).
6. Совершенствование материалов, конструкций и постхирургических режимов значительно увеличили ресурс устройств за последние 20 лет.
7. Международные стандарты и государственное регулирование обеспечили высокую надежность действия протезов.
1.9 Ограничения имплантатов
Имплантаты органичены по функции и выживаемости, потому что они не живые. Естественные живые ткани обладают генетически запрограммированной способностью самовосстановления. Следовательно, естественные ткани могут адаптироваться к своей физиологической среде. Никакой искусственный материал не способен самовостанавливаться или адаптироваться. Стык между протезом и тканью организма-хозяина особенно подвержен напряжению. Несовпадение как биохимических, так и биомеханических факторов может привести к межповерхностному разрушению и в конечном итоге к отказу.
В связи с этим, в Частях II и III настоящей книги делается основной упор на механизмы взаимодействия имплантированных материалов с тканями организма-хозяина. Изменения в ткани происходит на всех уровнях, по мере того как они ремонтируются в хирургической зоне и адаптируются к имплантату. Биомеханические и биохимические изменения в тканях являются функцией типа создавшегося стыка, который рассматривается в первой главе модуля компьютерного диска. Межповерхностная реакция на имплантат также зависит от качества ткани организма-хозяина и от воспалительной реакции на имплантат, которая описывается в Главе 7. Из-за этих ограничений существует большой интерес к возможностям регенерации тканей путем усиления собственных механизмов клеточной регенерации в организме. Эта новая технология, называемая инжинирингом тканей и восстановительной медициной, рассматривается в Части IV.
Все методы используемого в настоящее время восстановления или замены частей организма имеют ограничения. Таким образом, существует необходимость в понимании причины этих ограничений и последствий в случае возникновения отказа. Эти технические и клинические факторы анализируются в Частях II-IV. Также необходимо понимать экономические и нормативные факторы, влияющие на использование имплантатов и трансплантатов. Эти факторы рассматриваются в Части V. В силу ограниченного характера выживаемости имплантатов и трансплантатов, существует ряд этических вопросов, которые требуется учитывать при разработке, испытании и клиническом применении всех методов востановления или замены органов человека. В Главе 25 рассматриваются этические принципы, регулирующие процесс принятия решений, а также механизмы защиты пациента и хирурга.
ЛЭРРИ Л. ХЕНЧ
Имперский Колледж Лондон, Великобритания
1.1 Книга и модуль компакт-диска
В данной книге реализован новый подход к преподаванию предмета биоматериалов, искусственных органов и инжиниринга тканей, находящегося на стыке многих дисциплин. Эти три темы широкой области биомедицинского инжиниринга вместе включены в данную книгу в силу своей научной, технологической и клинической взаимозависимости. Например, биоматериалы являются критическими компонентами искусственных органов и служат в качестве каркасов в инжиниринге тканей. Понимание межповерхностного взаимодействия живых клеток с искусственными материалами является принципиальным для всех трех областей. Быстрое развитие клеточной и молекулярной биологии способствует разработке новых биоматериалов и их использованию в протезах, искусственных органах и конструктах, полученных посредством инжиниринга тканей. Не отстать от быстро развивающихся событий в этих областях – это нелегкая задача.
Цель настоящей книги – решить данную задачу тремя путями:
1. Книга включает 25 глав, разделенных на пять частей. В этих пяти частях книги содержится введение и обзор живых и искусственных биоматериалов; различных систем тела человека и их клинических потребностей в регенерации; различных типов имплантатов, устройств и протезов, используемых для восстановления органов тела; принципов, лежащих в основе альтернативных типов искусственных органов; научной базы и случаев применения инжиниринга тканей; далее следует рассмотрение социально-экономических и этических аспектов, влияющих на восстановление и замену частей тела человека. Каждая глава соответствует часовой или двухчасовой лекции в рамках курса продолжительностью в один семестр для студентов продвинутого уровня обучения.
2. Каждая из 25 глав в книге дополнена богато иллюстрированной лекцией на компакт-диске. Компакт-диск в качестве приложения книги находится на внутренней стороне ее задней обложки.
3. Компакт-диск также содержит вопросы для самоконтроля по каждой главе. Эти вопросы предназначены для того, чтобы проверить знания каждой главы и закрепить то, что пройдено. Ответы приведены отдельно для того, чтобы повторить пройденный материал каждой главы.
Сочетание дополнительных лекций на компакт-диске, вопросов для самоконтроля и ответов называется здесь и далее модулем компакт- диска.
1.2 Цели и задачи
Цель книги и модуля компакт-диска заключается в следующем:
1. Дать представление о потребностях, применении и ограниченности применения материалов и устройств для ремонта, замены или усиления функций живых тканей и органов тела человека.
2. Установить биомеханические принципы и биологические факторы, относящиеся к достижению долгосрочной стабильности замененных частей организма.
3. Проанализировать принципы и случаи применения инжиниринга тканей для замены частей организма.
4. Рассмотреть промышленные, государственные и этические вопросы в связи с использованием искусственных материалов и устройств в организме человека.
5. Углубить понимание читателем сложного междисциплинарного характера биомедицинских материалов, биомеханики, полной замены суставов, искусственных органов и инжиниринга тканей, а также значение и способы взаимодействия с широкими слоями людей, включая клиницистов, пациентов, представителей промышленности и правительства.
Основные задачи учебника и модуля компакт-диска
После изучения данной книги и модуля компакт-диска студент сможет:
• Отличать различные составляющие организма человека, описывать их функции и объяснять воздействие старения на структуру и функцию различных групп тканей и органов.
• Давать описание основных классов биомедицинских имплантатных материалов, средств их фиксации, их стабильности и преимуществ, а также недостатков при использовании в качестве имплантатов, устройств, а также в искусственных органах.
• Обсудить типы разрушения имплантатов, устройств и протезов в различных случаях клинического применения, а также причины такого разрушения.
• Дать описание физиологических принципов, связанных с заменой различных частей организма искусственными органами, трансплантатами или конструктами, полученными посредством инжиниринга тканей, а также возникающих в этой связи клинических компромиссов.
• Обсудить данные, касающиеся возможности медицинских устройств служить в течение всего срока жизни человека, а также коррелировать клинический успех с характеристикой биоматериала, конструкцией устройства и клиническими переменными.
• Рассматривать клинические и социально-экономические факторы использования имплантатов, трансплантатов, искусственных органов и конструктов, полученных посредством инжиниринга тканей, включая промышленные, государственные аспекты, вопросы регулирования и этики.
• Защищать относительные достоинства замены органа тела конструктом, полученным посредством инжиниринга тканей, рассматривать принципы выращивания частей организма in vitro и излагать связанные с этим физиологические и клинические ограничения.
• Исследовать литературу в поисках новых разработок в области замены тканей и органов.
• Доводить до сведения специалистов здравоохранения, пациентов, представителей бизнеса и государства альтернативные средства восстановления или замены органов.
Конкретные задачи
В книгу включено пять частей и модуль компакт-диска. В следующем перечне приведено то, что сможет освоить студент, прочитав каждую часть до конца.
Часть I: Понятие о живых и неживых материалах
• Описывать микроструктуру металлов, керамики, полимеров и композитных материалов.
• Сравнивать механическую прочность и усталостные свойства различных материалов с их микроструктурой.
• Сравнивать технологии обработки для производства различных материалов и объяснять, как влияет обработка на микроструктуру, свойства и надежность материалов.
• Давать описание частей клетки и их значения в функции клетки, размножении и дифференцировке.
• Различать четыре типа тканей и описывать их функцию.
• Давать определение понятию биосовместимости и описывать способ испытания биосовместимости.
• Объяснять механизм и значение воспалительных реакций в тканях, контактирующих с биоматериалами, и их значение для заживления ран и долгосрочного прогноза для имплантатов и искусственных органов.
Часть II: Клинические потребности и понятие о регенерации тканей.
• Давать определение и сравнивать отличия имплантатов и трансплантатов, а также их относительные достоинства и недостатки.
• Классифицировать типы тканей и органов в теле человека и их функции в связи с заменой на искусственные материалы.
• Описать влияние возраста на структуру и свойства опорно-двигательной, сердечно-сосудистой системы, органов чувств и других систем.
• Отличать различные категории имплантатируемых материалов и устройств, а также средства их фиксации к различным физиологическим системам.
Часть III. Сферы применения
• Опознавать кости, сухожилия и связки скелета человека и описывать их механические свойства как функцию ультраструктуры, микроструктуры и макроструктуры.
• Описывать механизмы восстановления скелетных тканей как функцию режима отказа и возраста пациента.
• Подбирать типы фиксации и устройства замены суставов для различных типов ремонта системы скелета и объяснять достоинства и недостатки применения каждого типа устройств в отношении к решаемой клинической проблеме.
• Сравнивать физические свойства металлических сплавов, медицинских полимеров и биокерамики, используемых для фиксации ортопедических переломов и общей замены сустава.
• Анализировать причины отказа ортопедических протезов.
• Описывать воздействие модуля упругости на экранирование кости от напряжений.
• Сравнивать относительные достоинства различных систем тотального бедра, тотального колена, плеча и позвоночника с точки зрения долгосрочной выживаемости путем использования кривых выживаемости Каплана-Мейера.
• Определять биоактивность и сравнивать биоактивную фиксацию с цементной фиксацией или морфологической фиксацией протезов.
• Обсуждать полимерные материалы, не разрушающиеся в физиологической среде, а также их применение в медицинских устройствах.
• Описывать полимерные материалы, характеризующиеся контролируемыми темпами рассасываемости в организме, в частности, такие, которые используются в хирургических швах, а также механизмы резорбции, воздействие времени и нагрузки на скорость резорбции.
• Описывать механизмы поверхностных реакций, участвующих в свертываемости крови и поверхностных характеристик гемосовместимых полимеров, а также соприкасающихся с кровью устройств, изготовленных из таких материалов.
• Понимать, как механические устройства могут заменять функцию систем органов в организме, включая сердце, кровеносные сосуды, легкие, почки и органы чувств.
• Описывать принципы конструирования для эффективного функционирования искусственных органов, включая их эффективность с точки зрения свойств материала, обменных процессов, поддержания соответствующего потока крови и совместимости с общей функцией в организме.
• Умение описывать специалистам здравоохранения и пациентам достоинства, недостатки и ограничения искусственных органов.
Часть IV: Инжиниринг тканей
• Обсуждать для любого конкретного применения инжиниринга тканей значение анализа источников клеток для содействия регенерации, включая соматические стволовые клетки, эмбриональные стволовые клетки и ‘зрелые’ клетки представляющей интерес ткани.
• Обсуждать основные принципы клеточной культуры и характеризовать различные типы клеток с помощью таких методов, как иммуноцитохимия, сканирующая (растровая) электронная и конфокальная микроскопия для опознания специфичных для клеток маркеров и генов.
• Анализировать процессы деления и дифференцировки клеток, синтеза внеклеточного матрикса и апоптоза (гибели клеток), а также обсуждать взаимоотношение между этими событиями.
• Обсуждать значение способности контролировать механизмы деления и дифференцировки клеток, апоптоза при разработке стратегии регенерации тканей и определять способы достижения этой задачи путем мониторинга цитокинов клетки.
• Понимать значение перевода данных, полученных из однослойных клеточных культур в клинически применимые типы клеток и тканей.
• Обсуждать взаимодействие между клетками и каркасом и понимать, как состав и архитектура каркасов может влиять на крепление клеток, их рост и дифференцировку.
• Обсуждать конкретные примеры того, где разрабатываются стратегии инжиниринга тканей, во-первых, для содействия восстановлению и регенерации с основным упором на кость, хрящ и кожу, и во-вторых, для понимания необходимости оценки механической прочности и интеграции тканей.
Часть V: Социальные, нормативные и этические вопросы
• Перечислять этапы, которые необходимо пройти для утверждения регулирующими органами правительства применения медицинского устройства в организме человека.
• Рисовать схему пяти направлений передачи технологии нового биомедицинского материала или устройства от лаборатории в производство и анализировать графики затрат и времени, относящиеся к каждому направлению.
• Перечислять экономические, социальные и нормативные барьеры, препятствующие передаче нового биомедицинского материала, устройства или конструкта инжиниринга тканей на рынок или в клинику.
• Обобщать различные юридические вопросы, лимитирующие применение имплантатируемых устройств, искусственных органов и конструктов, полученных посредством инжиниринга тканей.
• Понимать концепцию, применение и ограничение трех основных принципов этической теории.
• Вести спор по этическим вопросам, касающимся применения и неправильного применения имплантатов, устройств, искусственных органов и конструктов инжиниринга тканей, используя этические и моральные принципы.
• Анализировать различные клинические случаи, требующие применения имплантатов, трансплантатов или конструктов инжиниринга тканей с точки зрения научных, экономических и этических принципов.
1.3 Совместное использование книги и модуля компьютерного диска
Книга и модуль компьютерного диска предназначены для одновременного использования в качестве учебного пособия. Каждая глава книги дополняется лекцией, вопросами для самоконтроля и ответами. Соотношение между главой книги и соответствующим разделом на модуле компьютерного диска следующие:
Книга Модуль компьютерного диска
Глава 2 Металлы Глава 2 Металлы
2.1 Введение Лекция в программе PowerPoint®
2.2 Металлическая связь Дополнительный лекционный текст и рисунки
2.3 Микроструктура
2.4 Механические свойства Вопросы самоконтроля
2.5 Усталостные свойства Вопросы самоконтроля по Главе 2
2.6 Твердость и износ Ответы на вопросы самоконтроля
2.7 Эффект памяти формы и суперэластичность Ответы на вопросы самоконтроля по Главе 2
2.8 Коррозия
2.9 Воздействие обработки на структуру, свойства и надежность
2.10 Клинические требования
2.11 Выводы
2.12 Список литературы для чтения
В каждой главе книги вы найдете ссылки на соответствующую лекцию в модуле компьютерного диска. Некоторые рисунки в главах книги также приводятся в соответствующей лекции в программе PowerPoint® по главе. В этих случаях вы увидите как номер главного рисунка, так и (в скобках) его номер в лекции в программе PowerPoint®. Эти ссылки приводятся для того, чтобы вам легче было устанавливать соответствие между лекцией в программе PowerPoint® и главой книги.
1.4 Использование компьютерного диска
1. Вставьте компьютерный диск в дисковод.
2. Компьютерный диск должен автоматически запуститься. Если он не запускается автоматически, откройте программу Microsoft Internet Explorer® на своем компьютере и откройте файл index.html.
3. Выполняйте инструкции на домашней странице.
Обращаем внимание на то, что лекции выполнены в программе Microsoft PowerPoint®, а вопросы для самоконтроля и ответы – в формате PDF.
1.5 Рекомендации для самообразования
Читатель должен использовать книгу и модуль компьютерного диска следующим образом:
1. Рекомендуем начинать работу с книги, которая содержит изложение важнейших тем по данному предмету.
2. По каждой главе изучите соответствующую лекцию в PowerPoint®.
3. Ознакомьтесь и ответьте на вопросы для самоконтроля.
4. Проверьте свои ответы на вопросы для самоконтроля.
5. Если после подсчета ваша сумма баллов окажется меньше 80%, рекомендуем еще раз повторить соответствующий материал.
Если вы будете выполнять эти этапы работы, то вы сможете разобраться в данной тематике достаточно глубоко для чтения литературы в данной области и обсуждения и, возможно, даже ведения дискуссии со специалистами по этой теме.
1.6 Обзор
С 60-х годов 20-того века использование биомедицинских материалов для восстановления, замены или укрепления пораженных болезнью, поврежденных или изношенных частей организма, расширилось в огромной степени. В настоящее время используется более 40 различных материалов для замены более 40 различных частей тела. Количество имплантируемых устройств в мире составляет от 4 000 000 до 5 000 000 в год. Многие миллионы пациентов с радостью почувствовали ослабление боли, усиление функциональности и улучшение качества жизни благодаря успеху биомедицинских материалов, а также изготовленных из них имплантатов и устройств. Искусственные органы используются в повседневном практике для продления жизни и сохранения качества жизни для многих тысяч пациентов в тех случаях, когда трансплантация органов невозможна. Достижения, произошедшие в биологии и в области биомедицинских материалов, в настоящее время делают возможным выращивать живые конструкты вне организма и использовать их в качестве инжиниринговых тканей для регенерации или замены пораженных или поврежденных тканей.
Цель настоящей книги и модуля компьютерного диска заключается в том, чтобы предоставить короткое обозрение применения искусственных материалов в качестве медицинских имплантатов в различных клинических сферах применения, включая искусственные органы и инжиниринг тканей. Книга предназначена для использования в процессе обучения в течение одного семестра студентов третьего или четвертого курса или первого курса подготовки аспирантов. Предполагается, что многие студенты, возможно, имеют только минимальный уровень подготовки как в области материалов, так по биологическим дисциплинам. Следовательно, в Части I (Главы 2-5) обобщенно рассматриваются металлы, керамика, полимеры и композиты, применяемые для медицинских целей. В Главе 6 приводится обзор клеток и типов тканей и их иерархических структур, влияющих на межповерхностное поведение материалов в организме. В Главе 7 обобщенно анализируются механизмы заживления ран и воспалительная реакция тканей на имплантаты. Если вы уже знакомы с этими темами, вам следует сразу же переходить к Части II.
В Части II делается упор на клинические потребности и концепции восстановления, замены костей и суставов, сердечно-сосудистой системы и других физиологических систем, связанных с мягкими соединительными тканями. В силу значения биомеханики и качества скелетных тканей для долгосрочного успеха ортопедических имплантатов, в Главе 8 анализируется структура и биомеханические свойства кости, хряща, связок и сухожилий и физиологические механизмы регенерации. В Главе 9 дается описание структуры и функции сердца и артериальной системы и их режимов отказа. В Главах 10 и 11 обсуждается применение полимеров и гидрогелей в качестве материалов для имплантатов.
Часть III состоит из шести глав, описывающих материалы и методы, используемые для регенерации костей, сухожилий и связок (Глава 12), замены суставов (Глава 13), принципов инжиниринга искусственных органов (Глава 14), процессов транспорта масс в искусственных органах (Глава 15), искусственных систем обмена для замены органов (Глава 16) и систем сердечно-сосудистого вспоможения (Глава 17).
Часть IV знакомит читателя с новой, только что возникающей областью инжиниринга тканей (Глава 18), типами каркасов, которые могут использоваться в качестве шаблонов для выращивания тканей (Глава 19), методами, используемыми для выращивания клеток и тканей вне организма (Глава 20) и методами анализа и оптимизации поведения клетки для обеспечения роста ткани (Глава 21). В Главе 22 описываются основные сферы применения технологий инжиниринга тканей для регенерации частей организма и клинические успехи.
В последней части книги и модуле компьютерного диска рассматривается множество вопросов общественного значения, касающихся разработки, коммерциализации и клинического использования имплантатов и трансплантатов. Обеспечение воспроизводимости свойств и долгосрочной клинической эффективности требует определения характеристики материалов и программы контроля качества. Все медицинские устройства должны соответствовать международным стандартам и удовлетворять нормативным требованиям, рассматриваемым в Главе 23. Многие этапы и потенциальные барьеры, препятствующие передаче новой технологии биомедицинских материалов из области лабораторного открытия в область коммерческого и клинического применения, описаны в Главе 24. Этические принципы, регулирующие применение биомедицинских устройств, имплантатов и трансплантатов, рассматриваются в Главе 25 вместе с примерами этических проблем.
1.7 Являются ли трансплантаты решением проблемы запасных частей?
Одним из вариантов замены пораженных болезнью или поврежденных частей организма является использование уже живой ткани, часто в виде органа, в качестве ‘запасной части’. Примером может служить трансплантат ‘сердца-легких’.
‘Трансплантат’ – это ткань или орган, перемещенные из одного организма или части организма в другой или другую. Коронарные шунты с использованием собственных подкожных вен ноги пациента или артродез позвонков с использованием кости из подздошного гребня являются примерами трансплантатов.
Альтернативные типы трансплантатов
‘Аутотрансплантат’ (трансплантат ткани или органа из одной части человека в другое место того же человека). Аутотрансплантаты часто считаются ‘золотым стандартом’ в хирургии. Однако, их наличие ограничено, и аутотрансплантаты могут со временем разрушаться из-за разницы в их физиологической нагрузке и биологической среде в зоне трансплантата.
‘Аллотрансплантат’ (трансплантат ткани или орган от одного человека другому). Генетические отличия, приводящие к отторжению иммунной системой, а также наличие или доступность аллотрансплантатов – это основные факторы, лимитирующие использование аллотрансплантатов.
‘Ксенотрансплантат’ (трансплантат ткани или органа от другого вида человеку). Возросшая обеспокоенность генетическими аспектами этого вида трансплантатов, потенциально снимаемая генетическим инжинирингом животного с целью создания ‘трансгенных видов’, ограничивает применение ксенотрансплантатов. В настоящее время технические и этические проблемы ограничивают применение ксенотрансплантатов заменами неживой ткани, например, клапан сердца свиньи и деминерализованная бычья кость в качестве суррогата костного трансплантата.
1.8 Имплантаты и протезы в качестве запасных частей
Из-за ограниченности наличия, иммунного отторжения и других проблем, связанных с использованием трансплантатов, большая часть потребности в запасных частях организма человека обеспечивается имплантатами, что составляет 5 000 000 в год.
Имплантаты определяются как ‘искусственный материал или устройство, вставленное или вложенное хирургически в организме’. Поскольку имплантаты – это искусственные продукты, изготовленные человеком, которые не содержат чужеродных белков, они не вызывают иммунной реакции организма-хозяина.
‘Протез’: Изготовленное человеком устройство, используемое внутри организма для замены, восстановления или усиления пораженной болезнью, поврежденной или отсутствующей части тела. (Имплантаты и протезы часто используются в качестве синонимов).
Примерами большого количества имплантатов или протезов, ежегодно применяемых в США, являются следующие: кардиостимуляторы (200 000), клапаны сердца (40 000), внутриглазные линзы (1 000 000) и трубки аэрации среднего уха (миринготомия) (CD Рис. 1.5). Количество имплантатов, ежегодно используемых в США для восстановления костей и суставов, такое же значительное. Вот примеры: замена сустава (500 000), устройства временной фиксации (1 000 000), а также хирургия позвоночника (400 000) (CD Рис. 1.5). Годовое количество имплантатов в Европе приблизительно равно количеству имплантатов в США.
Быстрому расширению использования имплантатов и протезов способствовало несколько факторов:
1. Число лиц старше 50 лет в общей массе населения резко увеличивается. Это связано с увеличением среднего возраста на одного человека в сочетании с ростом населения мира (CD Рис. 1.4).
2. Прогрессирующее с возрастом ухудшение качества соединительных тканей (CD Рис. 1.6-1.10). На Рис. 1.6 на компьютерном диске показаны значительные изменения, происходящие в кости, начиная с 30-тилетнего возраста и старше. Потеря кости является в особенности острой в случае женщин в менопаузе из-за силу гормональных факторов; к 70 годам потеря массы кости может составлять до 50%. Это состояние называется ‘остеопорозом’ и является причиной перелома длинных костей, бедер и коллапса позвонков у миллионов женщин.
3. Увеличение уверенности хирургов в том, что имплантаты обеспечат улучшение качества жизни пациентов. Это частично объясняется тем, что многие протезы характеризуются высокой выживаемостью. Например, ортопедические устройства, имплантированные с использованием полиметилметакрилата (PMMA) ‘костного цемента’ могут частично нагружаться пациентом через день после операции (CD Рис. 1.23, 1.24). Амбулаторный пациент выздоравливает после операции быстрее, и воздействие тяжести стимулирует восстановление кости. Применение ортопедических имплантатов делает возможным облегчить хронические боли, связанные со многими болезнями разрушения суставов. Большое количество внутриглазных линз и их продолжительная выживаемость значительно улучшает зрение миллионов пожилых пациентов и создает впечатление того, что все части, заменяющие органы, будут иметь такой же успех (CD Рис. 1.14, 1.15).
4. Увеличение уверенности пациентов в том, что протезы являются приемлемыми, фактически предпочтительными решениями проблемы хронической боли.
5. Улучшение хирургического мастерства, оборудования и оснащения свели до минимума большинство осложнений, связанных с основными видами операций, в частности, инфекции. Следовательно, отмечается долгосрочный успех таких жизненно важных устройств, как кардиостимуляторы (CD Рис. 1.16) и протезы клапанов сердца (CD Рис. 1.17).
6. Совершенствование материалов, конструкций и постхирургических режимов значительно увеличили ресурс устройств за последние 20 лет.
7. Международные стандарты и государственное регулирование обеспечили высокую надежность действия протезов.
1.9 Ограничения имплантатов
Имплантаты органичены по функции и выживаемости, потому что они не живые. Естественные живые ткани обладают генетически запрограммированной способностью самовосстановления. Следовательно, естественные ткани могут адаптироваться к своей физиологической среде. Никакой искусственный материал не способен самовостанавливаться или адаптироваться. Стык между протезом и тканью организма-хозяина особенно подвержен напряжению. Несовпадение как биохимических, так и биомеханических факторов может привести к межповерхностному разрушению и в конечном итоге к отказу.
В связи с этим, в Частях II и III настоящей книги делается основной упор на механизмы взаимодействия имплантированных материалов с тканями организма-хозяина. Изменения в ткани происходит на всех уровнях, по мере того как они ремонтируются в хирургической зоне и адаптируются к имплантату. Биомеханические и биохимические изменения в тканях являются функцией типа создавшегося стыка, который рассматривается в первой главе модуля компьютерного диска. Межповерхностная реакция на имплантат также зависит от качества ткани организма-хозяина и от воспалительной реакции на имплантат, которая описывается в Главе 7. Из-за этих ограничений существует большой интерес к возможностям регенерации тканей путем усиления собственных механизмов клеточной регенерации в организме. Эта новая технология, называемая инжинирингом тканей и восстановительной медициной, рассматривается в Части IV.
Все методы используемого в настоящее время восстановления или замены частей организма имеют ограничения. Таким образом, существует необходимость в понимании причины этих ограничений и последствий в случае возникновения отказа. Эти технические и клинические факторы анализируются в Частях II-IV. Также необходимо понимать экономические и нормативные факторы, влияющие на использование имплантатов и трансплантатов. Эти факторы рассматриваются в Части V. В силу ограниченного характера выживаемости имплантатов и трансплантатов, существует ряд этических вопросов, которые требуется учитывать при разработке, испытании и клиническом применении всех методов востановления или замены органов человека. В Главе 25 рассматриваются этические принципы, регулирующие процесс принятия решений, а также механизмы защиты пациента и хирурга.