Biomateriały i implanty ortopedyczne w nowoczesnej chirurgii ortopedycznej

BIOMATERIAŁY

Biomateriał jest materiałem stosowanym do budowy implantów, charakteryzującym się różnorodnym składem, budową i właściwościami. Materiał ten jest akceptowany przez organizm człowieka.

Według ustaleń z 1982 z Konferencji Biomateriałów biomateriał jest substancją inną niż lek stanowiącą kombinację substancji syntetycznych lub naturalnych. Biomateriał może być używany w dowolnym czasie jako część lub całość systemu, zastępując tkankę lub organ, pełniąc jego funkcję.

Wyróżniamy pięć grup biomateriałów:

• ceramiczne,
• metalowe,
• węglowe,
• polimerowe,
• kompozytowe.

oraz nowe materiały opracowane de nova:

• biodegradowalne polimery,
• bioaktywne ceramiki,
• celuloza,
• węgiel pyrolityczny,
• materiały zmodyfikowane,
• tkanki naturalne i polimery połączone z żywimy komórkami.

IMPLANTY

Implanty są to wszelkie przyrządy medyczne wykonane z minimum jednego biomateriału, zazwyczaj są umieszczone wewnątrz organizmu i pozostają w nim przez dłuższy czas. Łączą się z żywą tkanką trwale lub mogą brać udział w regeneracji.

Implanty można podzielić na kilka grup jedną z nich jest czas bezpiecznego użytkowania.

• Krótkotrwałe – przebywanie w środowisku tkankowym nie powinno przekraczać dwóch lat,
• Długotrwałe – przebywanie w środowisku tkankowym może znacznie przekroczyć dwadzieścia lat.

Czas użytkowania implantu zależy od jego biokompatybilności, inaczej mówiąc biotolerancji. Jest to zdolność prawidłowego działania w organizmie. Implant nie może wywoływać ostrych lub chronicznych reakcji, ani stanu zapalnego.

Aby sprawdzić czy wybrany biomateriał nadaje się na wytworzenie implantu przeprowadza się badania na biotolerancję.

• In vitro – w warunkach laboratoryjnych w celu określenia zachowania się komórek ludzkich w obecności biomateriału.
• In vivo – na zwierzętach doświadczalnych w celu określenia zachowania się żywego organizmu w kontakcie z biomateriałem.

Ze względu na medyczne zastosowanie lub konkretne umiejscowienie w organizmie możemy wyróżnić implanty:

• ortopedyczne (stosowane aby wspomóc, zastąpić lub uzupełnić tymczasowo lub na stałe ubytki np. kości, chrząstki, wiązadła, ścięgna lub powiązanych z nimi tkanek),
• ustne (stosowane by poprawić, zastąpić lub zwiększyć jakąkolwiek twardą bądź miękką tkankę w jamie ustnej, szczękę, żuchwę lub staw skroniowo-żuchwowy),
• czaszkowo-twarzowe (stosowane w celu poprawienia lub zastąpienia tkanek twardych lub miękkich w obszarze czaszkowo-twarzowym pomijając mózg, oczy oraz ucho wewnętrzne),
• dentystyczne (stosowane do uzupełniania ubytków zębów).

IMPLANTY ORTOPEDYCZNE

Implanty ortopedyczne są umieszczane chirurgicznie, ich celem jest przywrócenie normalnego funkcjonowania, wzmocnienia lub zastąpienia uszkodzonej struktury.
Powodują nie tylko lepszą jakość życia, ale również zwiększają mobilność oraz zmniejszają odczucie bólu.

W obecnych czasach dostępnych jest wiele produktów zapewniających rekonstrukcję stawu biodrowego, segmentów kręgosłupa czy stawu kolanowego. Zazwyczaj są to różnego rodzaju śruby, gwoździe, wkręty, płytki, klatki itp.

Materiał używany do ich produkcji musi być biokompatybilny, aby zapobiec odrzuceniu przez organizm. Dużym zagrożeniem jest poluzowanie lub złamanie implantu, co może spowodować bolesny stan zapalny oraz zakażenie otaczających tkanek. Dlatego wprowadza się różne innowacyjne technologie aby zapobiegać niepożądanym komplikacjom. Obecnie najlepsi producenci sprzętu medycznego rok rocznie wprowadzają na rynek nowe innowacje produktowe. 

STAW KOLANOWY

Staw kolanowy jest jednym z największych stawów w ciele człowieka. Ma skomplikowaną budowę oraz jest bardzo narażony na uszkodzenia. Stykają się w nim cztery kości (kość udowa, piszczelowa, strzałkowa i rzepka) oraz cztery więzadła które zapewniają stabilność stawów, jednym z nich jest ACL – więzadło krzyżowe przednie.

Więzadła krzyżowe znajdują się w stawie kolanowym kontrolują ruchy kolana w przód i tył.

Więzadło krzyżowe przednie (ACL) biegnie skośnie, ku środkowej części kolana. Zapobiega to wysunięciu się kości piszczelowej przed kość udową, a także zapewnia stabilność obrotową kolana.

Natomiast więzadło krzyżowe tylne (PCL) jest mocnym, krótkim pasmem. Swój początek ma na powierzchni kości udowej, a kończy się przyczepem kości piszczelowej.

Powierzchnia obciążania kolana jest pokryta warstwą chrząstki stawowej. Po obu stronach styku w stawie, pomiędzy powierzchniami chrząstki stawowej kości udowej i piszczeli są łąkotki przyśrodkowe i boczne.

Łąkotki działają  jak amortyzatory i zmniejszają naprężenie pomiędzy piszczelami, a kością udową.

USZKODZENIE ACL

Uszkodzenie więzadła krzyżowego przedniego jest jednym z najczęściej spotykanych urazów stawu kolanowego. Może zostać uszkodzone samo lub z sąsiadującymi strukturami stawu np.: łąkotką, torebką stawową, chrząstka stawową oraz z innymi więzadłami.

Sportowcy oraz osoby aktywne fizyczne są w gronie wysokiego ryzyka związanego z tym urazem. Liczne badania kliniczne stwierdziły, iż u kobiet  częściej występuje uszkadzanie ACL niż u mężczyzn.

Bezpośrednio po urazie, pacjenci odczuwają ból oraz zauważają obrzęk kolana. Po kilku godzinach może pojawić się silny ból, a nawet dyskomfort w chodzeniu, co doprowadza do utraty ruchu.

Uszkodzenia więzadła krzyżowego przedniego można podzielić na trzy grupy.

I stopień – przerwanie minimalnej liczby włókien, z bolesnością miejscową i bez objawów niestabilności.
II stopień – rozerwanie większej ilości włókien z miejscową bolesnością samoistną, zaburzeniem czynności i nieznacznie zaznaczonymi objawami niestabilności.
III stopień – całkowite przerwanie ciągłości więzadła połączoną z silnym bólem, ze znacznie zaznaczoną niestabilnością.

REKONSTRUKCJA ACL Z WYKORZYSTANIEM SZTUCZNEGO IMPLANTU

Dotychczas powstało wiele sposobów umożliwiających rekonstrukcję ACL. Najczęściej do rekonstrukcji wykorzystywano autogeniczne przeszczepy rzepki „BT, BTB” lub ścięgien hamstringów „ST”. Od niedawna chirurdzy zaczęli stosować sztuczne więzadła „LARS”, które z biegiem czasu przerastają tkanką organizmu.

Biowchłanialne implanty stosowane do rekonstrukcji ACL umożliwiają naturalny przebieg gojenia ran. Implant z czasem traci siłę usztywniającą, by kość stopniowo stawała się obciążona. Implanty rozkładają się przez hydrolizę, po pewnym okresie czasu są przekształcane w CO2 i wodę. Nie wymagają usuwania nawet jeśli migrują poza kanał kości.

Współczesna ortopedia pozwala na rekonstrukcje ACL na drodze zabiegu artroskopowego. Pobierane jest  ścięgno mięśnia półścięgnistego lub smukłego z okolicy podkolanowej z którego formuje się przeszczep. Następnie przeprowadzamy go przez punkty prawidłowego przyczepu więzadła i mocujemy go w kości udowej i piszczelowej. Mocowanie odbywa się dzięki odpowiednim elementom mocującym – implantom. Dzięki temu odtwarzana jest ciągłość struktury.

IMPLANTY STOSOWANE DO REKONSTRUKCJI ACL

• Innowacyjna kotwica T-Lock stosowana do rekonstrukcji więzadła przedniego stosowna jest do mocowania więzadła w kości udowej. T-Lock mocuje się w kości udowej z zewnątrz tak samo jak w przypadku autogennej metody węzłowej Paessler’a. Biowchłanialny i ostekonduktywny materiał redukuje do zera występowanie osteolizy w miejscu wszczepu implantu oraz zapewnia pełną bioresorpcję i przebudowę implantu w strukturę kostną w miejscu wszczepu.
• Gama implantów Aim-Fix typu „endobutton” występująca w dwóch rodzajach. Wersja „PLATE” wyposażona jest w stałą pętlę w 5 rozmiarach, natomiast wersja „LOCK” wyposażona jest samozaciskową, regulowaną pętlę o max. dł. 40 mm. Stosuje się je  do rekonstrukcji ACL metodą jednopęczkową lub dwupęczkową z wykorzystaniem ścięgien półścięgnistego i / lub smukłego. Przeszczep mocowany jest w kości udowej na jednym lub dwóch implantach zewnątrzkorowych. Ten typ mocowania charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną, zapewnia również jednocześnie dobre wgajanie przeszczepu w kanałach kostnych. Pętle wykonane są z poli-tereftalano-etylenu (PET)
• Biowchłanialna śruba interferencyjna BioactIF (ACL/PCL), stosowana do mocowania ścięgna w rekonstrukcji przednich i bocznych więzadeł krzyżowych. Wykonane są z polimeru kwasu mlekowego w połączeniu z mikro-hydroksyapatytem, co zapewnia pełną bioresorpcję śruby i odbudowę struktury kostnej w miejscu wszczepu. Właściwości mechaniczne tego materiału są porównywalne z właściwościami otaczającej tkanki kostnej

Wszystkie implanty wykonane są z osteotransu, który składa się z poly-L-laktydu (PLLA) oraz niespiekanego mikro-hydroksyapatytu (uHA). Taki innowacyjny implant charakteryzuje się bioaktywnością i wysoką wchłanialnością. Cząstki uHA rozpadają się bezpośrednio pod wpływem osteoklastów, które w ten sposób zasiedlają powierzchnię implantu i wnikają stopniowo w jego wewnętrzną strukturę tworząc tkankę kostną.

• Biowchłanialna śruba interferencyjna NEC-PLUS® (ACL/PCL) stosowanea jest do mocowania ścięgna w rekonstrukcji przednich i bocznych więzadeł krzyżowych. Wykonane są z PLDL (70/30) polimeru pochodzącego z rodziny poli-α-hydroksykwasów, a amorficzna budowa minimalizuje ryzyko występowania jakichkolwiek zapaleń w obrębie wszczepu implantu. Budowa implantu zapewnia w pełni liniową kinetyczną absorbcję biologiczną przez organizm i całkowitą absorbcję ≥ 2 lat.