Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 5, стр. 745-748

ВВЕДЕНИЕ

Анализ направлений развития биоимплантологии последних десятилетий в ряде развитых стран свидетельствует о том, что современные вызовы 21 в. обусловили возрастание потребности в костно-пластическом материале. Это связано с увеличением случаев травматизма, повышением объема реконструктивно-восстановительных операций в биоимплантологии, включая высокотехнологичные (различные виды эндопротезирования), а также с успешным развитием нового направления экспериментальной биоимплантологии – тканевой инженерии [1–5]. Указанные аспекты оказали существенное влияние на практическую реализацию ряда актуальных проблем регенеративной медицины и поиск их эффективного решения в новых условиях. В этой связи общая стратегия поиска инновационных решений заключается в создании эффективных здоровьесберегающих технологий, что является не только актуальной медико-биологической, но и важной социально-экономической задачей. Такие технологии призваны обеспечить благоприятный исход оперативных вмешательств, сократить продолжительность лечения и последующего реабилитационного периода, повысить качество жизни пациента.

Важной составляющей рассматриваемой общей стратегии является достижение высокой степени стерилизации костно-пластического материала. Выбор оптимальной технологии стерилизации позволяет обеспечить необходимый уровень стерильности костных фрагментов на этапах заготовки и изготовления из них имплантатов, консервации и последующего хранения, а также не допустить существенных изменений структурно-функциональных характеристик и снижения исходного остеоиндуктивного потенциала имплантатов.

Целью настоящего исследования является разработка стратегии развития комбинированных радиационных технологий стерилизации костных имплантатов.

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ СТРАТЕГИИ РАЗВИТИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ

Вопросы стерилизации биоимплантатов в целом и костных имплантатов, в частности, регулируются в Российской Федерации рядом национальных государственных и межгосударственных стандартов [6]. На практике даже при заготовке тканей в стерильных условиях при исследованиях аллоимплантатов на стадиях изготовления существует вероятность выживания некоторого количества патогенов. В существующих нормативных документах указано [6], что “…для имплантатов с финишной стерилизацией с маркировкой “СТЕРИЛЬНО”, теоретическая вероятность присутствия жизнеспособных микроорганизмов должна быть не более 1 ⋅ 10^–6”.

Исходная обсемененность заготавливаемых биотканей может быть вызвана многими неконтролируемыми факторами – от инфицирования донора до нестерильных условий обработки и изготовления имплантата. Следовательно, необходимо строго выполнять требования к выбору адекватных методик обработки и стерилизации биоматериала, осуществлять тщательный контроль на всех стадиях технологического процесса изготовления костных имплантатов, включая отбор доноров тканей, заготовку костных фрагментов, физико-механическое разделение костей на фрагменты требуемой формы и размеров, получение имплантатов с заданными свойствами в зависимости от целей использования, стерилизацию и упаковку имплантатов для последующего хранения до клинического использования. Важность выбора эффективного, доступного метода стерилизации обусловлена и необходимостью обеспечения безопасных условий работы многочисленного персонала [6], контактирующего с костными фрагментами на этапах заготовки костных фрагментов, их обработки и структурно-функционального анализа.

Исследования преимуществ и недостатков методов стерилизации, применяемых в настоящее время [1, 4, 6–8], их доли в общем объеме рассматриваемых услуг [8], свидетельствуют о том, что несмотря на наличие получивших распространение в медико-биологической практике ряда способов стерилизации, около 50% приходится в настоящее время на традиционный метод газовой стерилизации с использованием оксида этилена. Остальные 50% составляют радиационные технологии с использованием гамма-излучения (40.5%), потока быстрых электронов (4.5%), другие методы стерилизации, включая озоновое воздействие и рентгеновскую обработку (5%).

Указанные методы стерилизации несмотря на их эффективность имеют ряд недостатков, ограничивающих широкое применение при стерилизации костных фрагментов, и нуждаются в совершенствовании. Прежде всего, это относится к химической обработке газообразной окисью этилена [6, 9], которой отдавалось предпочтение ввиду отсутствия изменений остеоиндуктивных свойств трансплантатов. При этом важным фактором являлась продолжительность резорбции таких трансплантатов при использовании в костной пластике, высокая токсичность оксида этилена, его канцерогенные свойства, возможность проявления мутагенных эффектов.

Уникальные возможности озоновой стерилизации экспериментально подтверждены авторами [6, 10, 11] с использованием разработанных устройств. Они могут быть использованы для стерилизации на различных этапах изготовления костных фрагментов с целью обеспечения безопасности персонала тканевых банков, контактирующего с биологическим материалом до получения имплантатов [6]. В отдельных случаях для стерилизации используются методики, основанные на применении жидких химических реагентов, паров перекиси водорода, низкотемпературной плазмы, газообразной озоно-кислородной смеси, микроволнового, ультрафиолетового облучений, криовоздействия, термообработки и др. [1].

В последнее десятилетие все большее распространение находит метод радиационной стерилизации [4, 8, 12–15], отличающийся высокой проникающей способностью, эффективностью стерилизующего воздействия, отсутствием нагрева биологических тканей, возможностью стерилизации образцов в герметичной упаковке, когда исключается повторное инфицирование [1].

Однако радиационные воздействия с величиной поглощенной дозы, равной или превышающей 25 кГр, принятой многими банками тканей [6], могут приводить к существенным структурно-функциональным изменениям костных имплантатов и снижению их остеоиндуктивных свойств. Учитывая отсутствие выраженных морфомеханических изменений до величины поглощенной дозы, равной 15 кГр, это значение рассматривается в ряде исследований в качестве предельного, что необходимо учитывать при разработке новых технологий с установлением поглощенной дозы радиационной обработки ниже этого значения [8].

Работы последних лет указывают на перспективность комбинированных методов стерилизации [8, 9, 16–20], характеризующихся двухэтапным воздействием на костный имплантат. Известны технологии, когда на первом этапе осуществляется предварительная стерилизация водными растворами, содержащими в определенных соотношениях этанол, димексид, тимол с последующей дегидратацией костных образцов, а на втором – радиационное воздействие гамма-квантами [9]. В других исследованиях [16] на первом этапе использовано воздействие озоно-кислородной смесью, а на втором – радиационная обработка потоком быстрых электронов.

Применение озоновой обработки имеет ряд достоинств [6, 8], связанных с ее осуществлением в газовой среде, что исключает необходимость дегидратации образцов. Однако главным ее преимуществом, играющим важную роль при разработке комбинированных технологий с использованием радиационных методов, является способность озонового воздействия поражать патогенные микроорганизмы в споровой форме, которые могут быть устойчивы даже к радиации [8, 21]. Указанные аспекты были положены в основу создания комбинированных технологий, в которых реализованы преимущества радиационного воздействия на костные имплантаты в сочетании с предварительной озоновой обработкой, снижающей радиорезистентность патогенов. Достигаемый при этом синергетический эффект обеспечивает эффективную стерилизацию при значительном (до 11–12 кГр) снижении поглощенной дозы и побочного действия каждого из воздействующих факторов в отдельности [14].

Отмечая важную роль процесса стерилизации в создании эффективных здоровьесберегающих технологий, следует акцентировать особое внимание на необходимости дальнейшего углубленного изучения отдельных методов, в частности, озоно-кислородного, радиационного воздействий, используемых в комбинированных технологиях стерилизации, их оптимизации, оценке влияния на структурно-функциональные характеристики костных имплантатов.

В этой связи заслуживает рассмотрения вопрос оптимизации параметров процесса озоновой стерилизации биоимплантатов [6]. Как показывает практика, для обеспечения гарантированно высокой эффективности процесса стерилизации его параметры необходимо выбирать с достаточным “запасом прочности”, причем для такого выбора существует ряд различных вариантов. Реализация такого подхода сопряжена с дополнительными затратами времени, энергии, реагентов, создает неизбежную повышенную нагрузку на стерилизуемый объект, что может негативно отразиться на морфофункциональных характеристиках, остеоиндуктивных свойствах биоимплантатов.

Авторами было предложено технологическое решение [11], позволяющее оптимизировать процесс стерилизации не по времени обработки, а по моменту достижения стерильности объекта по мере приближения к запрограммированному значению концентраций на входе и выходе стерилизационной камеры. Предлагаемый подход позволяет, с одной стороны, автоматически учитывать влияние текущих внешних параметров – температуры, влажности, освещенности, флуктуации концентрации смеси, с другой – обеспечить экономию временных и энергетических затрат в процессе стерилизации. Такое решение обеспечивает сохранение исходной структуры, остеоиндуктивных свойств стерилизуемых объектов, позволяет использовать устройство для массовой заготовки имплантатов в условиях постоянного контроля разницы концентраций озоно-кислородной смеси на входе и выходе стерилизационной камеры. Допустимое значение пороговой разницы в концентрациях устанавливается с учетом скорости естественной диссоциации молекул озона.

При решении комплекса задач, связанных с созданием здоровьесберегающих технологий, представляет интерес не только совершенствование методов изготовления имплантатов [22–25], разработка объективных методик оценки их качества, опосредованного контроля исходных остеоиндуктивных, остеокондуктивных, остеогенных свойств [1, 14], но и анализ структурно-функционального состояния поверхностного слоя с определением его элементного состава [26–29]. Согласно имеющимся сведениям [14, 30], состояние и характеристики поверхности костных имплантатов во многом определяют их остеиндуктивные и остеокондуктивные свойства, регенеративный потенциал и, таким образом, эффективность применения в биоимплантологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные результаты свидетельствуют о роли стерилизации костных фрагментов, биоимплантатов, обеспечивающей безопасность реципиента, медицинского персонала клиник и банков тканей, и необходимости разработки стратегии дальнейшего развития способов комбинированного радиационного стерилизующего воздействия. Полученные выводы могут служить научно-обоснованной базой для разработки эффективных здоровьесберегающих технологий с учетом современных требований. Успех этих разработок во многом зависит от междисциплинарной интеграции, объединения усилий представителей смежных областей науки в развитии методов пробоподготовки, стерилизации, объективной регистрации структурно-функционального состояния костных имплантатов для решения актуальных задач регенеративной медицины [29].

Заслуживает внимания комплексный анализ перспективных технологий комбинированной радиационной стерилизации биоимплантатов, позволяющих достичь синергетического эффекта стерилизующего воздействия используемых в технологии физико-химических факторов различной природы. Это позволит реализовать преимущества каждого из выбранных мощных стерилизующих факторов в отдельности при одновременном снижении степени их воздействия и побочных эффектов.

Важно отметить, что предложенная стратегия развития комбинированных радиационных технологий стерилизации костных имплантатов не является универсальной. Это связано с многочисленными разновидностями используемого и разрабатываемого костно-пластического материала [1, 5, 31–33] с заданными свойствами в зависимости от целей применения, что обусловливает необходимость индивидуального подхода к выбору методов стерилизации в каждом конкретном случае.