Эксперимент в хирургии

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.

Интересные факты приводят японские ученые. В частности, Кавахара в своих исследованиях показал, что при введении корундовой керамики в организм на ее поверхности образуется особый мономолекулярный слой воды, препятствующий каким-либо взаимодействиям керамики с клетками и жидкостями организма. Более того, в первые часы после введения керамики в организм клетки теряют способность к адгезии (прилипанию) на ее поверхности. Полностью механизмы взаимодействия корундовых материалов с кровью и другими тканями организма еще не раскрыты, и здесь открывается широкое поле деятельности для исследователей-экспериментаторов.

Одной из причин нарушения функции механических клапанов сердца, а также одним из пусковых моментов тромбообразования является старение материалов при длительном нахождении в организме. Они проявляются в появлении микротрещин, шероховатостей и других микродефектов поверхностей. Изучая возможность использования корундовых материалов для клапанов сердца, нужно было решить, как меняется их поверхность при длительном нахождении в организме. В этих целях животным имплантировали пластины, через 2 года их исследовали с помощью электронного сканирующего микроскопа, дающего очень большое увеличение, выявляющего мельчайшие дефекты поверхности. Поверхность корундовых материалов через 2 года осталась практически без изменений: не было выявлено каких-либо специфических дефектов, рельеф поверхности полностью сохранен. В то же время на поверхности титана появление микродефектов было отмечено уже через год, а через два года было обнаружено увеличение количества и размеров дефектов, поверхностный слой металла стал более рыхлым.

Большое значение имела оценка механической прочности корундовых материалов. По этому поводу в настоящее время опубликованы работы, в которых указано, что наряду с большой прочностью корундовых материалов, им присуща и определенная хрупкость. Невыясненным оставался вопрос, смогут ли корундовые материалы при незначительной толщине конструкции выдержать большие ударные нагрузки, которые испытывают элементы искусственных клапанов сердца при работе в организме. Из лейкосапфира и стоала, которые по результатам предшествующих экспериментов оказались наиболее перспективными для поставленной цели материалами, изготовили дисковые запирательные элементы толщиной 0,86 миллиметра со сложной фигурной поверхностью. Диски поместили в стандартный каркас искусственных клапанов сердца и исследовали их на стендах ускоренных испытаний с 20-кратным ускорением (1 год работы клапана на стенде равен 20 годам работы клапана в организме человека). После такого испытания оказалось, что все диски из стоала и лейкосапфира целы, трещин, сколов и других дефектов поверхности не обнаружено.

Таким образом, проведенные исследования показали, что стоал и лейкосапфир удовлетворяют комплексу требований, предъявляемых к материалам, предназначенным для имплантации в сердечно-сосудистую систему. Нам представляется, что эти материалы будут использованы для создания новых моделей искусственных клапанов сердца, для которых была также разработана оригинальная конструкция, защищенная авторским свидетельством.