Остеокондуктивность

Остеокондуктивность — это свойство материала обеспечивать направленное врастание костной ткани (остеогенез) по его поверхности или в его объём, выступая в качестве пассивной матрицы (каркаса) для формирования новой кости. В отличие от остеоиндукции (стимуляции дифференцировки клеток-предшественников в остеобласты) и остеогенеза (непосредственного образования кости живыми клетками), остеокондуктивность является исключительно физико-химическим и структурным свойством имплантата или трансплантата, которое не требует наличия живых клеток в самом материале. Данное понятие является ключевым в регенеративной медицине, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии и ортопедии при разработке и применении костнопластических материалов.

Механизм остеокондуктивности

Остеокондуктивность реализуется через ряд последовательных процессов на границе раздела «материал — живая ткань». Основным условием является наличие у материала пористой структуры с определёнными характеристиками.

Роль пористости и архитектуры

Для успешного врастания кости материал должен обладать взаимосвязанной системой пор (макропор) диаметром от 100 до 500 мкм. Поры меньшего размера (менее 50 мкм) могут быть заняты фиброзной тканью, а не костной. Микропоры (менее 10 мкм) и шероховатость поверхности способствуют адсорбции белков и адгезии клеток, но не являются достаточными для капиллярного прорастания сосудов. Оптимальная архитектура включает:

• Макропоры (100–500 мкм) — для миграции остеогенных клеток, роста кровеносных сосудов (ангиогенеза) и диффузии питательных веществ.
• Микропоры (1–10 мкм) — для увеличения площади поверхности и улучшения смачиваемости.
• Взаимосвязь пор — все поры должны быть соединены между собой, чтобы обеспечить непрерывный рост ткани.

Клеточные и молекулярные аспекты

Остеокондуктивный материал не стимулирует клетки химически, но создаёт физическую среду, благоприятную для их миграции и прикрепления. После имплантации на поверхности материала адсорбируются белки плазмы крови (фибронектин, витронектин), которые служат лигандами для интегринов клеток-предшественников остеобластов. Клетки, мигрирующие из окружающей костной ткани, прикрепляются к поверхности материала, пролиферируют и начинают синтезировать внеклеточный матрикс, который затем минерализуется. Таким образом, материал выступает в роли временного каркаса (скаффолда), который замещается новообразованной костью.

Материалы, обладающие остеокондуктивностью

Остеокондуктивность является характеристикой многих природных и синтетических материалов, используемых в качестве костных заменителей.

Керамические материалы

• Гидроксиапатит (ГА) — Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Наиболее изученный остеокондуктивный материал, по химическому составу близкий к минеральной фазе кости. Обладает высокой биосовместимостью, но низкой скоростью резорбции (рассасывания). Используется в виде гранул, блоков и цементов.
• Трикальцийфосфат (ТКФ, β-TCP) — Ca₃(PO₄)₂. Резорбируется быстрее гидроксиапатита, замещаясь костной тканью. Часто используется в комбинации с ГА (бифазные фосфаты кальция).
• Биостекла — стеклокерамические материалы на основе SiO₂, Na₂O, CaO, P₂O₅. При контакте с жидкостями организма образуют на поверхности слой гидроксиапатита, что обеспечивает высокую остеокондуктивность.
• Кальций-фосфатные цементы — самоотверждаемые пасты, которые могут вводиться в костные дефекты инъекционным способом.

Полимерные материалы

• Синтетические полимеры (полимолочная кислота, полигликолевая кислота, поликапролактон) — биодеградируемые, но часто не обладают достаточной остеокондуктивностью в чистом виде. Для улучшения свойств их комбинируют с керамическими частицами или модифицируют поверхность.
• Природные полимеры (коллаген, хитозан, гиалуроновая кислота) — могут быть остеокондуктивными при определённой обработке, но обычно используются как матрицы для доставки клеток или факторов роста.

Металлические материалы

• Титан и его сплавы — в чистом виде не обладают остеокондуктивностью, но после обработки поверхности (пескоструйка, кислотное травление, плазменное напыление гидроксиапатита) приобретают способность к остеоинтеграции (прямому контакту с костью без прослойки фиброзной ткани).
• Пористый тантал — обладает высокой пористостью и остеокондуктивными свойствами, используется в эндопротезировании.

Биологические материалы

• Аутогенная кость (кость самого пациента) — обладает всеми тремя свойствами: остеогенезом, остеоиндукцией и остеокондуктивностью. Является «золотым стандартом» для костной пластики, но имеет ограничения по объёму забора и риску осложнений.
• Аллогенная кость (кость донора) — после обработки (заморозка, лиофилизация, деминерализация) теряет живые клетки, но сохраняет остеокондуктивность и частично остеоиндуктивность (деминерализованный костный матрикс).
• Ксеногенная кость (кость животных, чаще бычья) — после депротеинизации (удаления органических компонентов) представляет собой чистый гидроксиапатит с высокой остеокондуктивностью.

Факторы, влияющие на остеокондуктивность

Эффективность остеокондуктивного материала зависит от множества параметров:

• Химический состав — способность материала к ионному обмену и образованию слоя апатита на поверхности.
• Пористость и размер пор — оптимальные значения для макропор 200–400 мкм.
• Шероховатость поверхности — микрошероховатость (0,5–5 мкм) улучшает адгезию клеток.
• Смачиваемость — гидрофильные поверхности способствуют адсорбции белков.
• Механическая прочность — материал должен выдерживать нагрузки до полного замещения костью.
• Скорость резорбции — должна быть синхронизирована со скоростью формирования новой кости.

Применение в медицине

Остеокондуктивные материалы широко используются в клинической практике:

• Стоматология и челюстно-лицевая хирургия — заполнение костных дефектов после удаления зубов, кист, опухолей; синус-лифтинг (поднятие дна гайморовой пазухи); костная пластика при атрофии альвеолярного отростка для установки дентальных имплантатов.
• Ортопедия и травматология — замещение дефектов после остеосинтеза, эндопротезирования, лечения ложных суставов и замедленной консолидации переломов; спондилодез (сращение позвонков).
• Нейрохирургия — краниопластика (восстановление дефектов черепа).
• Ветеринария — лечение переломов и дефектов костей у животных.

Ограничения и недостатки

• Остеокондуктивность сама по себе не способна инициировать костеобразование в отсутствие остеогенных клеток в окружающей ткани. Для больших дефектов (критического размера) требуется комбинация с остеоиндуктивными факторами (например, костными морфогенетическими белками) или клеточной терапией.
• Синтетические материалы часто уступают аутокости по скорости и качеству регенерации.
• Некоторые материалы (например, плотный гидроксиапатит) могут не полностью резорбироваться, оставаясь в виде инородного тела.
• Риск инфицирования и отторжения, хотя и ниже, чем у аллогенных материалов.

Источники

1. Albrektsson T., Johansson C. Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration. European Spine Journal. 2001;10(Suppl 2):S96–S101.
2. LeGeros R.Z. Properties of osteoconductive biomaterials: calcium phosphates. Clinical Orthopaedics and Related Research. 2002;(395):81–98.
3. Giannoudis P.V., Dinopoulos H., Tsiridis E. Bone substitutes: an update. Injury. 2005;36(Suppl 3):S20–S27.
4. Bohner M. Resorbable biomaterials as bone graft substitutes. Materials Today. 2010;13(1–2):24–30.
5. Oryan A., Alidadi S., Moshiri A., Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 2014;9:18.