Биоразлагаемые устройства для закрытия дефекта фиброзного кольца после поясничной микродискэктомии

Поясничная микродискэктомия по Caspar с модификациями стала одной из самых распространенных операций на позвоночнике во всем мире. В развитых странах проводится от 3 до 20 поясничных микродискэктомий на 10 000 населения, и это число ежегодно растет [1—3]. Исследователи отмечают высокую частоту хороших и отличных результатов поясничной микродискэктомии (интенсивность боли по визуальной аналоговой шкале 0—1 балл) от 70 до 89% [4]. Несмотря это, проблема рецидива грыж межпозвонковых дисков и по сей день является актуальной. По данным разных авторов, частота рецидива заболевания в течение первых 24 мес после операции составляет от 5 до 21% [5].

В ряде случаев после микродискэктомии сохраняется болевой корешковый синдром, что может быть связано с биохимическими изменениями в межпозвонковом диске. Из пульпозного ядра через дефект фиброзного кольца выделяются медиаторы воспаления (интерлейкины), цитокины и химические агенты, вызывающие раздражение спинального ганглия и нервного корешка [6].

В связи с этим, на наш взгляд, снизить количество рецидивов заболевания можно только с помощью механического препятствия выхода регенерата или грыжи межпозвонкового диска в позвоночный канал путем укрытия интраоперационного дефекта фиброзного кольца.

Полилактид (PLA) — биоразлагаемый гидрофобный полиэфир, который нашел свое применение во многих областях науки и техники, в том числе в качестве исходного материала для биомедицинских изделий широкого профиля: от шовных нитей до полноценных костно-пластических материалов. Такие возможности применения связаны, в частности, с превосходными механическими свойствами, например, для поли-L-лактида можно достигнуть модуль упругости порядка 1—4 ГПа при средневесовой молекулярной массе 20—70 кДа [7].

Данный тип высокомолекулярных соединений является перспективным при создании скаффолдов, крепежных ортопедических изделий и имплантатов длительного действия, из данного полимера можно получать высокопрочные волокна и на их основе создавать биомиметические структуры связок [8]. Поли-D,L-лактид вследствие аморфности разлагается быстрее, в течение 12—16 мес, при этом исходная прочность сохраняется только 1—2 мес, однако на его основе также создаются различные изделия биомедицинского назначения [9].

Одним из недостатков полилактида является его хрупкость [7]. Это свойство ограничивает применение полилактида в областях, в которых необходима механическая прочность. В связи с этим наиболее распространенным решением проблемы является получение смесей или сополимеров PLA с другими биосовместимыми полимерами, например, с поли-ε-капролактоном (PCL).

Известно, что PCL также является полукристаллическим биоразлагаемым и биосовместимым полиэфиром, применяемым в биомедицине в качестве материала для изготовления шовных нитей, различного рода имплантатов и средств доставки пролонгированного действия. Синтез поликапролактона основан на полимеризации с раскрытием цикла ε-капролактона [10].

Можно сделать вывод о перспективных возможностях использования как биоразлагаемого биосовместимого гомополилактида, так и его смесей/сополимеров с поликапролактоном, находящих применение в различных областях биомедицины, в том числе для регенерации костных и хрящевых тканей. В нашей работе мы показали использование прототипа устройства для закрытия дефекта фиброзного кольца на кадаверной модели.

Цель исследования — изучить свойства материалов и выбрать наиболее подходящий материал для создания устройства, замещающего дефект фиброзного кольца межпозвонкового диска после секвестрэктомии.

В работе использовали прототипы устройств из поли(L-)лактид (PLA) с молекулярной массой Mw~180 кДа, поликапролактон (PCL) с молекулярной массой Mn~160 кДа (прототип №1), а также сополимеры (L-)лактида и ε-капролактона PLC без предварительной очистки (прототип №2). Для получения губчатых материалов использовали 1,4-диоксан (ООО «Компонент-Реактив», Россия) без предварительной очистки.

Физико-механические испытания на сжатие проводили на испытательной электромеханической машине Instron 5982 («Instron, A Division of Illinois Tool Works, Inc.», США), скорость на шаге составила 1 мм/мин при температуре в термокамере 37 °C.

Образцы имели цилиндрическую форму, длину 10—12 мм и диаметр 5 мм. Физико-механические испытания губчатых материалов на сжатие проводили на испытательной электромеханической машине Instron 5965 («Instron, A Division of Illinois Tool Works, Inc.», США) при температуре в термокамере 37 °C. Деформация составляла от 0 до 80% и скорость перемещения 50%/мин от высоты образца. Образцы имели цилиндрическую форму, длину 10—15 мм и диаметр 8 мм. Для статистики все эксперименты проводили не менее чем в трех повторениях. Для лабораторной операционной модели использовали поясничный отдел позвоночника барана.

Ключевой характеристикой материалов для возможного практического применения в рассматриваемой области являются подходящие модули упругости. Как видно из табл. 1, прототипы демонстрируют хорошую воспроизводимость данных. При этом смеси, несмотря на высокое содержание поликапролактона, остаются все еще слишком жесткими для замещения дефекта фиброзного кольца.

Таблица 1. Физико-механическая характеристика прототипов

В отличие от смесей прототип, изготовленный из сополимера, не разрушается под нагрузкой, а уплотняется. Модуль упругости его ниже, чем у смесей на 2 порядка. Кроме этого, образец демонстрирует эффект памяти формы, то есть после снятия нагрузки прототип восстанавливается в среднем на 94% от его начальной длины.

Таким образом, прототипы из смеси биосовместимых полимерных материалов на основе циклических сложных эфиров, а именно полилактида и поликапролактона, не являются перспективными для закрытия дефекта в области фиброзного кольца после секвестрэктомии. Прототип, изготовленный из сополимера полилактида и поликапролактона в составе 75/25, обладает механическими свойствами, пригодными для рассматриваемого применения. Помимо этого, сополимер демонстрирует эффект памяти формы, что делает данный материал перспективным для дальнейших исследований.

Полученные прототипы устройств различных геометрических форм для закрытия дефекта в области фиброзного кольца после секвестрэктомии и восстановления биомеханики межпозвонкового диска имплантируются шляпкой внутрь отверстия в фиброзном кольце для лучшей фиксации.

Благодаря близким температурам стеклования к физиологической температуре (37 °C), а также наличию кристаллической фазы, такие материалы способны возвращать форму после значительной деформации.

Механические свойства относятся к важнейшим характеристикам, определяющим возможность использования материалов в конкретном приложении (табл. 2).

Таблица 2. Значения модулей упругости и прочности губчатых образцов

Примечание. В скобках приведены значения модуля упругости по наклону конечного участка кривой деформации.

Модули упругости изделий значительным образом зависят от пористости материалов и укладываются в диапазон физиологических значений для нативного фиброзного кольца.

Для качественной оценки возможности имплантации устройств создана в лабораторных условиях операционная модель на поясничном отделе позвоночника барана. Поясничный отдел позвоночника зачищен от прилегающих мягких тканей, а на фиброзном кольце с внутренней стороны выполнен крестообразный надрез условным диаметром 3 мм (рис. 1). Пульпозное ядро удаляли частично. Устройство для закрытия дефектов помещали в заранее подготовленную трубку необходимого диаметра и выдавливали поршнем в область дефекта. Лишнюю часть «ножки» устройства отрезали по уровню межпозвоночного диска. На заключительном этапе имитировали биомеханическое движение позвонков в различных плоскостях с максимальной анатомически возможной амплитудой и фиксировали наблюдаемые события, а именно степень фиксации образца, изменение геометрических параметров имплантата, возможность доставки устройства предложенным способом. Полученные результаты сведены в табл. 3.

Рис. 1. Фотографии препарата поясничного отдела барана, среза вдоль межпозвоночного диска и крестообразного надреза с внутренней части межпозвоночного диска.

Таблица 3. Результаты стендовых испытаний устройств различного типа

Все материалы прототипа №1 продемонстрировали ненадежную степень фиксации. При знакопеременных деформациях устройства выдвигались наружу. Прототипы №2 из смеси полимеров полилактида и поликапролактона ввиду слишком низких значений обратимой деформации недостаточно фиксируются на месте имплантации, а также после имитации движения позвонков деформируются и не восстанавливают форму (рис. 2).

Рис. 2. Фотографии испытаний устройства типа «губка» на основе смеси PLA/PCL 6%.

Прототипы №2 из сополимеров по сравнению с материалами на основе смеси лучшим образом сопротивляются внешним нагрузкам за счет способности к восстановлению формы в гораздо более широком диапазоне деформации. Однако из-за мягкости материалов наблюдались небольшие сложности при доставке имплантатов. Фиксация материалов была не абсолютной из-за отсутствия места внутри фиброзного кольца, вследствие чего при раскрытии импланта возникало дополнительное выталкивающее давление (рис. 3). По всей видимости, данного типа образцы, в том числе анатомической формы, наилучшим образом подойдут при операциях с частичным или полным удалением пульпозного ядра.

Рис. 3. Фотографии испытаний устройства типа «губка» на основе сополимер LCL 7525.

Таким образом, проведены стендовые испытания устройств различного типа. Показано, что протипы №1 могут быть имплантированы в область дефекта, однако не обладают необходимой степенью фиксации и мигрируют при движении позвоночника. Протипы №2 из смеси полимеров полилактида и поликапролактона недостаточно фиксируются на месте имплантации и после деформации не восстанавливают форму. Прототипы №2 из сополимеров PLC и LCL наиболее перспективны, однако необходимо частичное или полное удаление пульпозного ядра при операции.

В ходе работы предложено несколько прототипов устройств с различными химическими составами, геометрией и микроструктурой для закрытия дефекта в области фиброзного кольца после секвестрэктомии для восстановления биомеханики межпозвонкового диска.

Для всех устройств определены их физико-механические характеристики, а именно модуль и прочность при сжатии, которые сопоставлены с механикой нативного фиброзного кольца.

Предложен способ доставки имплантатов в место дефекта фиброзного кольца, а также проведены стендовые испытания устройств на поясничном отделе позвоночника барана.

На основании проведенных испытаний наиболее перспективными для дальнейших исследований in vivo представляются прототипы устройства из сополимеров полилактида и поликапролактона.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Макаров С.А., Аганесов А.Г.

Сбор и обработка материала — Макаров С.А., Спирин О.А., Демина В.А., Загоскин Ю.Д.

Написание текста — Макаров С.А.

Редактирование — Алексанян М.М., Аганесов А.Г.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.