Применение карбона в медицине

С травмами и врожденными нарушениями опорно-двигательного аппарата человечество сталкивается с момента своего появления как вида. И даже углубившись в мировую статистику последних лет, можно сделать вывод, что высокий уровень медицины не снижает статистические данные. Почему?

Если рассматривать проблему с точки зрения развития промышленности, этот факт можно увязать и с изобретением средств передвижения (например, автомобилей), и с появлением огнестрельного оружия, и с развитием производства, и расширением спортивных дисциплин.

Да, цивилизация столкнулась с тем, что человек больше занимается интеллектуальным трудом и меньше физическим и, казалось бы, стал избегать травмоопасные ситуации — но организм к этому не успел приспособиться. Это привело к значительному ослаблению связочного аппарата, а некачественное питание тоже не лучшим образом повлияло на качество мышечных и костных тканей.

Медицинские задачи

Ежегодно в России фиксируют порядка 6 миллионов травм и случаев заболевания костного аппарата. Без увечий не обходится практически ни один спорт, и даже такие его виды, как бильярд и шахматы, тоже имеют собственную статистику травматизма. Над решением всех последствий этого неустанно трудится медицина.

Но кроме этого медицина занимается врожденными и возрастными нарушениями костей скелета, и в последние десятилетия значительно продвинулась в способах восстановления сломанных костей, утерянных частей костных тканей, а также в фиксации ее отломков. Для этого она использует импланты.

До «углеродной эпохи» такие имплантаты изготавливали из титана, керамики и ряда полимеров. Но мировая клиническая практика выявила ряд недостатков этих материалов, несмотря на их положительные характеристики.

Ценность карбона для медицины

Для медицины очень важным свойством углерода оказалась его биологическая совместимость с организмом, не говоря уже о том, что карбоновые импланты показали высочайшую прочность в зонах высоких механических нагрузок. Они оказались близки к свойствам кости человека по своему биохимическому составу (это обусловлено высокой поверхностной энергией и высоким положительным потенциалом).

А углеродосодержащие наноструктурные композитные материалы последнего поколения дают медицине возможность регулировать и задавать нужные механические свойства эндопротезам и имплантатам. Ни с каким другим материалом пока не удавалось получить такую единую биомеханическую систему — ведь только карбон не взаимодействует с кислотами, солями, щелочами и прочими химическими веществами, а также активными биологическими соединениями.

Также удалось выяснить, что в местах контакта углеродосодержащего импланта с костной тканью начинает формироваться тонкий, слабоадсорбируемый слой белка, который способствует дальнейшему развитию соединительной и костной тканей.

Остеоиндуктивные свойства карбоновых имплантатов

То, что сегодня стало возможным получать разные характеристики углеродных материалов, делая их максимально идентичными костной ткани человека, открывает большие возможности для медицины. Среди прочих, принципиально важным их качеством является получение нужной структуры поверхности и пористости. Поверхностность позволяет карбоновым имплантатам создавать каркас для новообразования костной ткани, т. е. придавать им остеоиндуктивные свойства. Также можно добиться нужной гладкости поверхности для уменьшения коэффициента трения эндопротеза.

А остаточная пористость, которой обладают композитные углеродные материалы на 7–12 %, теоретически дает возможность насыщать импланты нужными веществами, такими как антибиотики и антисептики, а также веществами на основе фосфата кальция.

Карбоновые импланты для стоматологии и хирургии

Именно стоматологическая отрасль стала первой использовать углеродные имплантаты. Причина — в небольших размерах и быстрой адаптации в организме практически без негативных реакций.

Такие импланты устраняют практически любые дефекты лицевых костей черепа. Правда, восстановление эстетики — одна из задач, которые приходится решать уже самим стоматологам. Но чисто функциональное устранение костных дефектов черепа углепластиком способствует восстановлению природных жевательных / глотательных способностей, а также правильной речи.

Серьезной задачей является и устранение последствий черепно-мозговых травм, связанных с повреждением мозгового отдела костей черепа. Основная сложность тут состоит в том, что кости черепа обладают низкой способностью к репаративной регенерации (то есть восстановление структурных элементов у клеток и тканей впоследствии их патологической гибели). Это накладывает на материал, из которого производится имплантат, определенные требования.

Карбоновые импланты в таких случаях показывают превосходные результаты:

1. отсутствие риска отторжения и негативного влияния на ткани мозга;

2. удовлетворительная остеоинтеграция (интеграция в костную ткань, на которую приходится нагрузка);

3. простота моделирования и обработки.

В этом смысле углеродосодержащие материалы удовлетворяют все перечисленные требования и при этом доступны по цене.

Использование материалов с углеродом в травматологии и ортопедии

Одними из тяжелейших травм являются увечья позвоночника. Но углеродосодержащие трансплантаты вывели хирургическое лечение позвонков на совершенно другой уровень, поскольку теперь нет необходимости фиксировать имплантат. Для этих целей ранее использовались средства (швы, цемент, клеевые составы и т. д.), которые приводят к резорбции костной ткани, да и сами они являются недолговечными. Сегодня же пациенты уже не нуждаются в повторном оперативном вмешательстве для извлечения фиксаторов, как, например, в случаях с использования металлических конструкций.

А создание и исследование высокопористого ячеистого углерода позволило создавать эндопротезы, полностью заменяющие конечности и суставы, а также части плоских и трубчатых костей. В связи с этим в последнее время операции по замене тазобедренных и коленных суставов стали спасением для людей, которых ранее обездвиживал коксартроз.

И вот сегодня на замену лучшим титановым эндопротезам пришли карбоновые. Ведь, благодаря идентичности углеродного эндопротеза кости́ человека как по биохимическому составу, так и по упругости, они являются более органичными для человека. Тем более что при определенных условиях в процессе ходьбы имплант деформируется вместе с костью, что практически нивелирует концентрацию остаточных напряжений. Как результат, ножка такого протеза не разрушается и не расшатывается в точках контакта с костью.

Свойства поверхности такого эндопротеза и его прочность успешно замещают также части органа или ткани: способ фиксации ножки эндопротеза способствует росту соединительнотканной пленки, которая дополнительно удерживает его в кости. А трение головки сустава и суставной лунки за счет антифрикционных свойств карбоновых элементов не приводит к быстрой изнашиваемости имплантата, гарантируя срок его механической эксплуатации до 100 лет.

И еще одно важное преимущество углеродных эндопротезов — в отсутствии дискомфорта, связанного с весом и низкой теплопроводностью материала. Они легче аналогов и при колебании внешней температуры не дают холодовых и болевых ощущений.

Теперь рассмотрим все их виды более подробно.

Ортопедические ортезы из карбона

Данные приспособления применяются как в лечебных, так и в профилактических целях. Их использование даже не предполагает оперативного вмешательства. А назначение ортезов в том, чтобы разгрузить травмированные или больные конечности и суставы после травм, операций, во время высоких физических нагрузок или в ряде заболеваний ОДА (т. е. опорно-двигательного аппарата). Иными словами, практически каждое подобное изделие может выполнять сразу несколько функций, а конфигураций ортезов огромное количество, поскольку выпускают их практически для всех зон скелета. Материалы для них используют тоже разные, но карбон среди них завоевал лидирующие позиции. Ведь он обеспечивает прочность фиксации, выдерживает высокие нагрузки и при этом настолько мало весит, что практически неощутим.

В аптеках можно купить любой ортез, но в тяжелых случаях или при врожденных патологиях, когда предполагается его длительное ношение, врачи всегда рекомендуют изготавливать ортезы на заказ. Углеродные ортезы при этом часто оказываются наилучшим выходом из положения. Они легкие, крепкие и при индивидуальном изготовлении не связаны с большими технологическими трудностями. Кроме того, из карбона можно изготовить ортез полностью, а можно сделать из него лишь ребра жесткости, усиливающие конструкцию.

Углеродный экзоскелет

Из-за прочности и веса карбон оказался находкой в развитии и такого направления, как создание экзоскелетов. Это — класс механических ортезов, повторяющих или усиливающих движения, а также использующихся в целях реабилитации и восстановления функций ОДА.

Атравматические карбоновые повязки

Сегодня такие повязки позволяют быстро и эффективно лечить поверхностные и глубокие ожоги с высоким процентом повреждения кожных покровов, трофические язвы, пролежни и другие виды открытых ран, которые сопровождаются гнойными процессами.

В изготовлении таких повязок также используются углеродные ткани, которые предварительно подвергают электрохимической обработке. Это необходимо для того, чтобы придать им высокую сорбционную емкость, благодаря чему с поверхности раны более качественно поглощается экссудат. Рана при этом заживает в три раза быстрее. А за счет того, что карбон не относится к гигроскопичным материалам, такая повязка не может присохнуть к ране, что в случае с использованием других повязок может дополнительно травмировать кожные покровы.

Использование углерода в медицинском оборудовании

Наиболее часто детали из карбона используют для производства рентгеновских аппаратов, поскольку он отличается незначительным поглощением рентгеновских лучей и высокой прочностью. Если сравнивать этот показатель с классическим материалом для этого — алюминием, то можно утверждать, что углепластик поглощает их в 5 раз меньше и в 2,5 раза меньше их рассеивает.

Заключение

Поиск новых материалов — это непрекращающийся процесс. Этим занимаются научно-исследовательские институты по всему миру. Но пока еще не найден никакой другой материал, который бы так быстро и органично приживался в человеческом организме, как карбон. А усовершенствование и упрощение технологий получения любых изделий (в том числе и медицинских) из углеволокна приводит к их удешевлению, что тем более не может не радовать.