Эксперимент в хирургии - Владимир Кованов

По данным зарубежной литературы, вопросами применения корундовой керамики в сердечно-сосудистой хирургии в настоящее время занимаются во многих странах. Однако, судя по публикациям, они еще не вышли за рамки экспериментов. Вместе с тем, для широкого применения корундокерамических материалов в практике сердечно-сосудистой хирургии необходимо выяснить, в какой мере корундовые материалы моно- и поликристаллического строения соответствуют комплексу всех требований, предъявляемых к материалам для изготовления искусственных клапанов сердца. Достаточно полной оценки корундовой керамики с точки зрения возможности ее использования как имплантационного материала в сердечной хирургии проведено не было. Не было изучено взаимодействие корундовых материалов с кровью; оставалось неизвестным, смогут ли они выдержать сверхвысокие гемодинамические нагрузки, которым подвергается сердечный клапанный протез при работе в организме. Кроме того, необходимо было сравнить корундовую керамику с материалами, традиционно и широко применяемыми в сердечно-сосудистой хирургии, то есть с металлами и полимерами, и таким образом определить, насколько целесообразно и возможно ее применение в этой области.

Итак, была поставлена цель: определить возможность и целесообразность использования отечественных корундовых материалов для создания искусственных клапанов сердца. Сотрудница кафедры оперативной хирургии и топографической анатомии 1-го Московского медицинского института имени И. М. Сеченова И. Коротеева взялась за решение этой задачи. Для исследования были предложены отечественные корундовые материалы с различным химическим составом и структурой строения: миналунд, стоал и лейкосапфир. Миналунд и стоал относятся к поликристаллической керамике, то есть основу их составляют мелкие кристаллы (зерна) окиси алюминия. Они отличаются тем, что у первого материала зерна более крупные, менее однородные, кроме того, в нем больше примесей (окиси кальция и окиси кремния), которые ухудшают свойства керамики. Стоал считается одним из лучших отечественных керамических материалов, содержание основного вещества окиси алюминия в нем очень высоко - 99,57 процента. Эти материалы получают из глинозема хорошо известным в керамической промышленности способом формования с последующим обжигом при температуре свыше 1700 градусов Цельсия, Лейкосапфир (белый сапфир) несколько отличался от предыдущих материалов. По своему строению лейкосапфир - монокристалл окиси алюминия и практически не содержит никаких примесей (сумма всех примесей в нем не превышает 10-4). Получают лейкосапфир в специальных высокотемпературных установках по выращиванию монокристаллов в вакууме.

В качестве контрольных материалов были выбраны наиболее биологически инертные представители металлов и полимеров, которые широко применяются в сердечно-сосудистой хирургии, в частности, в конструкциях искусственных клапанов сердца - титан и фторопласт.

На первом этапе предстояло выяснить, какой из материалов вызывает наименьшую реакцию ткани, то есть обладает большей биоинертностью. Для этого маленькие пластинки (3X3 мм) из всех корундовых и контрольных материалов имплантировали в мышцы бедра белых лабораторных крыс, затем через некоторое время брали маленькие кусочки мышечной ткани, окружающие имплантат, и исследовали их под микроскопом. При этом отмечали, вокруг какого материала более выражено воспаление, где быстрее образуется тонкая соединительнотканая капсула, отграничивающая имплантат от мышечной ткани. Была изучена реакция мышечной ткани 140 крыс.

При сравнительной оценке биоинертности материалы распределились следующим образом: наибольшей биоинертностью обладали лейкосапфир, затем стоал, наименьшей - титан, в промежутке между ними находились миналунд и фторопласт. Оценка биологической инерности потребовала большой тщательности при проведении исследования, так как резко выраженной разницы между самым «лучшим» и «худшим» материалами не было, да и не могло быть, поскольку титан - один из самых биоинертных из имеющихся металлов. И все-таки сомнений нет - стоал и лейкосапфир превосходят остальные материалы по биоинертности. При исследовании подтвердилась ранее замеченная другими исследователями закономерность - чем больше в корундовом материале основного вещества - кристаллической окиси алюминия - тем менее выраженные изменения в тканях он вызывает.

Наиболее ярко биологическая инертность любого материала проявляется в тромборезистентности, то есть способности материала противостоять быстрому тромбообразованию на его поверхности. Тромборезистентность является одним из определяющих свойств материала, предназначенного для имплантации в сердечно-сосудистую систему. Механизмы тромбообразования и тромборезистентности настолько сложны, что использование какого-либо одного метода их исследования не позволило бы дать достаточно полной оценки тромборезистентных свойств корундовых материалов. Поэтому решено было использовать как методы ин витро (в пробирке), так и методы ин виво (в живом организме), однако преимущество отдавали методам в живом организме, поскольку они позволяют оценить поведение исследуемых материалов в условиях реального кровотока. Исследования проводили на беспородных собаках. Сначала решили проверить материалы в наиболее тромбогенных условиях, то есть в венах, так как в венах давление значительно ниже и кровоток медленнее, чем в артериях. Для этого из всех корундовых материалов, а также из титана и фторопласта изготовили полые цилиндры, которые имплантировали в нижнюю полую вену собаки по методу «Готта». Имплантированный в просвет полой вены цилиндр длиной 10 миллиметров замещал участок вены аналогичной длины; кровь в данном участке протекала только через цилиндр. При недостаточной тромборезистентности материала, из которого был изготовлен цилиндр, на его внутренних стенках откладывались тромбы, иногда до полного закрытия просвета цилиндра. Все операции на животных проводили под наркозом с применением искусственной вентиляции легких и соблюдением правил асептики и антисептики. В послеоперационном периоде животные находились под постоянным наблюдением. Всем проводились ангиографические исследования, то есть исследования сосудов рентгенологическими методами, для того, чтобы определить проходимость цилиндров и наличие тромботических масс на внутренних стенках цилиндров. Кроме того, с помощью специальных приборов, а также дополнительных биохимических исследований крови постоянно вели наблюдение за состоянием свертывающей и противосвертывающей систем крови в ответ на имплантацию корундовых и контрольных материалов в кровоток. После выведения животных из эксперимента цилиндры извлекали и определяли состояние их внутренних стенок, наличие на них тромботических масс. Обычно животных наблюдали в стандартные сроки от 2 часов до 2 месяцев.

При анализе результатов эксперимента выяснилось, что больше тромбозов при всех сроках исследования было обнаружено в цилиндрах из титана, меньше - в цилиндрах из стоала и лейкосапфира. Решили продлить эксперимент, и несколько цилиндров из стоала и лейкосапфира оставили в венозном кровотоке на более длительный срок - до 6 месяцев. По истечении данного срока выяснилось, что цилиндры полностью свободны от тромбов, внутренняя поверхность их гладкая, блестящая.

Далее, решили исследовать поведение материалов в условиях, максимально приближенных к внутрисердечным, то есть в артериальной системе. Аналогичные цилиндры имплантировали в брюшной отдел аорты собак. При этом выяснилось еще одно ценное свойство керамики (стоала) - уже через 2 месяца внутренняя поверхность его была покрыта очень прочной, тонкой оболочкой - псевдонеоинтимой, которая была очень плотно фиксирована к поверхности керамики и препятствовала дальнейшему тромбообразованию на поверхности материала. Для сравнения следует отметить, что внутренняя поверхность титановых цилиндров на некоторых участках неоинтимой покрыта не была, на других же участках неоинтима была рыхло фиксирована к поверхности металла и легко отслаивалась. А ведь именно такие кусочки оторванной неоинтимы часто становятся причиной тромбоэмболических осложнений у больных с имплантированными искусственными клапанами сердца.

Исследования И. Коротеевой показали, что по своим тромборезистентным свойствам корундовые материалы не только превосходят титан и фторопласт, но и сами отличаются друг от друга: если лейкосапфир и стоал почти одинаковы, то миналунд обладает значительно более выраженной тромбогенностью. Трудно пока с полной определенностью судить о причине этих различий, имеющих большое практическое значение. Можно предположить, что достаточно высокая тромборезистентность лейкосапфира и стоала во многом связана с их химическим составом, который представлен практически стопроцентно Аl2О3 - то есть инертной и не изменяющей своих свойств кристаллической окисью алюминия. По мере изменения химического состава корундовых материалов меняется и их тромборезистентность (как и биоинертность): чем больше примесей (в миналунде), тем больше тромбогенность. Однако не только химическое строение играет роль в механизмах тромборезистентности корундовых материалов. Так, стоал имеет однородную мелкозернистую структуру, а у миналунда, обладающего большой тромбогенностью, размер зерен основного вещества колеблется в широких пределах, он менее однороден.