Имплантат — это медицинское устройство, изготовленное для замены отсутствующей биологической структуры, поддержки поврежденной биологической структуры или улучшения существующей биологической структуры. Например, имплантат может быть стержнем, используемым для укрепления слабых костей . Медицинские имплантаты — это устройства, созданные человеком, в отличие от трансплантата , который представляет собой пересаженную биомедицинскую ткань . Поверхность имплантатов, которая контактирует с телом, может быть изготовлена из биомедицинского материала, такого как титан , силикон или апатит, в зависимости от того, что является наиболее функциональным. [1] Например, в 2018 году компания American Elements разработала порошок из никелевого сплава для 3D-печати прочных, долговечных и биосовместимых медицинских имплантатов. [2] В некоторых случаях имплантаты содержат электронику, например, искусственный кардиостимулятор и кохлеарные имплантаты . Некоторые имплантаты являются биоактивными , например, устройства для подкожной доставки лекарств в виде имплантируемых таблеток или стентов с лекарственным покрытием . [3]
Имплантаты можно условно разделить на группы по области применения:
Сенсорные и неврологические имплантаты используются при расстройствах, затрагивающих основные чувства и мозг, а также при других неврологических расстройствах. Они в основном используются при лечении таких состояний, как катаракта , глаукома , кератоконус и других нарушений зрения ; отосклероза и других проблем с потерей слуха , а также заболеваний среднего уха, таких как средний отит ; и неврологических заболеваний, таких как эпилепсия , болезнь Паркинсона и резистентная к лечению депрессия . Примерами являются интраокулярная линза , интрастромальный сегмент роговичного кольца , кохлеарный имплантат , тимпаностомическая трубка и нейростимулятор . [1] [3] [4]
Сердечно-сосудистые медицинские устройства имплантируются в случаях, когда сердце, его клапаны и остальная часть кровеносной системы находятся в расстройстве. Они используются для лечения таких состояний, как сердечная недостаточность , сердечная аритмия , желудочковая тахикардия , клапанные пороки сердца , стенокардия и атеросклероз . Примерами являются искусственное сердце , искусственный сердечный клапан , имплантируемый кардиовертер-дефибриллятор , искусственный кардиостимулятор и коронарный стент . [1] [3] [4]
Ортопедические имплантаты помогают облегчить проблемы с костями и суставами тела. [5] Они используются для лечения переломов костей , остеоартрита , сколиоза , стеноза позвоночника и хронической боли , а также при замене коленного и тазобедренного суставов . Примерами являются широкий спектр штифтов, стержней, винтов и пластин, используемых для фиксации сломанных костей во время их заживления. [1] [3] [4]
Металлические стекла на основе магния с добавлением цинка и кальция тестируются как потенциальные металлические биоматериалы для биоразлагаемых медицинских имплантатов. [6] [7]
Пациентов с ортопедическими имплантатами иногда необходимо помещать под магнитно-резонансную томографию (МРТ) для детального исследования опорно-двигательного аппарата. Поэтому были высказаны опасения относительно ослабления и миграции имплантата, нагревания металла имплантата, что может вызвать термическое повреждение окружающих тканей, и искажения МРТ-сканирования, которое влияет на результаты визуализации. Исследование ортопедических имплантатов в 2005 году показало, что большинство ортопедических имплантатов не реагируют на магнитные поля под 1,0 Тесла МРТ-сканером, за исключением внешних фиксаторов-зажимов. [8] Однако при 7,0 Тесла несколько ортопедических имплантатов продемонстрируют значительное взаимодействие с магнитными полями МРТ, например, пяточный и малоберцовый имплантаты. [9]
Электрические имплантаты используются для облегчения боли при ревматоидном артрите . [10] Электрический имплантат вживляется в шею пациентов с ревматоидным артритом, имплантат посылает электрические сигналы на электроды в блуждающем нерве . [11] [12] Применение этого устройства тестируется как альтернатива пожизненному лечению людей с ревматоидным артритом. [13]
Контрацептивные имплантаты в основном используются для предотвращения нежелательной беременности и лечения таких состояний, как непатологические формы меноррагии . Примерами служат внутриматочные спирали на основе меди и гормонов . [3] [4] [14]
Косметические имплантаты — часто протезы — пытаются вернуть некоторую часть тела к приемлемой эстетической норме. Они используются в качестве последующего вмешательства после мастэктомии из-за рака груди , для исправления некоторых форм уродства и изменения аспектов тела (например, при увеличении ягодиц и подбородка ). Примерами являются грудной имплантат , носовой протез , глазной протез и инъекционный наполнитель . [1] [3] [4]
Другие типы дисфункции органов могут возникать в системах организма, включая желудочно-кишечную , дыхательную и урологическую системы. Имплантаты используются в этих и других местах для лечения таких состояний, как гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь , гастропарез , дыхательная недостаточность , апноэ во сне , недержание мочи и кала и эректильная дисфункция . Примерами являются LINX , имплантируемый желудочный стимулятор , стимулятор диафрагмального/диафрагмального нерва , нейростимулятор, хирургическая сетка , искусственный мочевой сфинктер и имплантат полового члена . [3] [4] [15] [16] [17] [18] [19]
Медицинские устройства классифицируются Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) по трем различным классам в зависимости от рисков, которые медицинское устройство может налагать на пользователя. Согласно 21CFR 860.3, устройства класса I считаются представляющими наименьший риск для пользователя и требующими наименьшего контроля. Устройства класса I включают в себя простые устройства, такие как ремни для рук и ручные хирургические инструменты . Устройства класса II считаются требующими большего регулирования, чем устройства класса I, и должны соответствовать определенным требованиям перед одобрением FDA. Устройства класса II включают в себя рентгеновские системы и физиологические мониторы. Устройства класса III требуют наибольшего контроля регулирования, поскольку устройство поддерживает или поддерживает человеческую жизнь или может быть недостаточно хорошо протестировано. Устройства класса III включают в себя заменяющие сердечные клапаны и имплантированные мозжечковые стимуляторы. Многие имплантаты обычно попадают в устройства классов II и III. [20] [21]
Обычно имплантируется множество минимально биореактивных металлов. Наиболее часто имплантируемой формой нержавеющей стали является 316L . Имплантационные сплавы на основе кобальта , хрома и титана также имплантируются навсегда. Все они пассивны благодаря тонкому слою оксида на их поверхности. Однако следует учитывать, что ионы металла диффундируют наружу через оксид и попадают в окружающую ткань. Биореакция на металлические имплантаты включает образование небольшой оболочки из фиброзной ткани. Толщина этого слоя определяется растворяемыми продуктами и степенью перемещения имплантата внутри окружающей ткани. Чистый титан может иметь только минимальную фиброзную инкапсуляцию. Нержавеющая сталь, с другой стороны, может вызывать инкапсуляцию до 2 мм. [22]
Пористые имплантаты характеризуются наличием пустот в металлической или керамической матрице. Пустоты могут быть регулярными, например, в решетках, изготовленных аддитивным способом (AM), [23] или стохастическими, например, в процессах производства с газовой инфильтрацией. [24] Уменьшение модуля имплантата следует сложной нелинейной зависимости, зависящей от объемной доли основного материала и морфологии пор. [25]
Существуют экспериментальные модели для прогнозирования диапазона модуля, который может принимать стохастический пористый материал. [26] Выше 10% объемной доли пористости модели начинают значительно отклоняться. Различные модели, такие как правило смесей для низкой пористости, двухматериальные матрицы были разработаны для описания механических свойств. [27]
Решетки AM имеют более предсказуемые механические свойства по сравнению со стохастическими пористыми материалами и могут быть настроены таким образом, чтобы иметь благоприятные направленные механические свойства. Такие переменные, как диаметр распорки, форма распорки и количество поперечных балок, могут иметь драматическое влияние на нагрузочные характеристики решетки. [28] AM имеет возможность точно настраивать расстояние между решетками в гораздо меньшем диапазоне, чем стохастически пористые структуры, что позволяет в будущем развивать клетки определенных культур в тканевой инженерии. [29]
1) Модуль упругости имплантата уменьшается, что позволяет имплантату лучше соответствовать модулю упругости кости. Модуль упругости кортикальной кости (~18 ГПа) значительно ниже, чем у типичных цельных титановых или стальных имплантатов (110 ГПа и 210 ГПа соответственно), в результате чего имплантат принимает на себя непропорционально большую часть нагрузки, приложенной к придатку, что приводит к эффекту, называемому экранированием напряжения .
2) Пористость позволяет остеобластическим клеткам прорастать в поры имплантатов. Клетки могут перекрывать зазоры размером менее 75 микрон и прорастать в поры размером более 200 микрон. [24] Врастание кости является благоприятным эффектом, поскольку оно закрепляет клетки в имплантате, увеличивая прочность интерфейса кость-имплантат. [30] Большая нагрузка передается от имплантата к кости, что снижает эффекты экранирования напряжения. Плотность кости вокруг имплантата, вероятно, будет выше из-за увеличенной нагрузки, приложенной к кости. Врастание кости снижает вероятность ослабления имплантата с течением времени, поскольку избегается экранирование напряжения и соответствующая резорбция кости в течение длительного времени. [31] Пористость более 40% благоприятна для обеспечения достаточного закрепления остеобластических клеток. [32]
В идеальных условиях имплантаты должны инициировать желаемую реакцию хозяина . В идеале имплантат не должен вызывать нежелательной реакции соседних или отдаленных тканей. Однако взаимодействие между имплантатом и тканью, окружающей имплантат, может привести к осложнениям. [1] Процесс имплантации медицинских устройств подвержен тем же осложнениям, которые могут возникнуть при других инвазивных медицинских процедурах во время или после операции. К распространенным осложнениям относятся инфекция , воспаление и боль . К другим возможным осложнениям относятся риск отторжения из -за коагуляции , вызванной имплантатом , и аллергическая реакция на инородное тело . В зависимости от типа имплантата осложнения могут различаться. [1]
Когда место имплантата инфицируется во время или после операции, окружающие ткани инфицируются микроорганизмами . После операции могут возникнуть три основные категории инфекций. Поверхностные немедленные инфекции вызываются организмами, которые обычно растут вблизи кожи или на ней. Инфекция обычно возникает в месте хирургического отверстия. Глубокая немедленная инфекция, второй тип, возникает сразу после операции в месте имплантата. Бактерии , обитающие на коже и находящиеся в воздухе, вызывают глубокую немедленную инфекцию. Эти бактерии попадают в организм, прикрепляясь к поверхности имплантата до имплантации. Хотя это и нечасто, глубокие немедленные инфекции могут также возникать из-за спящих бактерий от предыдущих инфекций ткани в месте имплантации, которые были активированы из-за того, что их потревожили во время операции. Последний тип, поздняя инфекция, возникает через несколько месяцев или лет после имплантации имплантата. Поздние инфекции вызываются спящими бактериями, передающимися через кровь , прикрепленными к имплантату до имплантации. Бактерии, передающиеся через кровь, колонизируют имплантат и в конечном итоге высвобождаются из него. В зависимости от типа материала, используемого для изготовления имплантата, он может быть пропитан антибиотиками для снижения риска инфекций во время операции. Однако антибиотики можно вводить только в определенные типы материалов, а использование имплантатов, пропитанных антибиотиками, сопряжено с риском отторжения со стороны пациента, поскольку у пациента может развиться чувствительность к антибиотику, а антибиотик может не подействовать на бактерии. [33]
Воспаление, частое явление после любой хирургической процедуры, является реакцией организма на повреждение тканей в результате травмы, инфекции, проникновения инородных материалов или локальной гибели клеток , или как часть иммунного ответа . Воспаление начинается с быстрого расширения местных капилляров для снабжения местной ткани кровью. Приток крови приводит к опуханию ткани и может вызвать гибель клеток. Избыток крови, или отек, может активировать болевые рецепторы в ткани. Место воспаления становится теплым из-за местных нарушений потока жидкости и повышенной клеточной активности для восстановления ткани или удаления мусора из этого места. [33]
Коагуляция, вызванная имплантатом, похожа на процесс коагуляции , происходящий в организме для предотвращения потери крови из поврежденных кровеносных сосудов. Однако процесс коагуляции запускается белками , которые прикрепляются к поверхности имплантата и теряют свою форму. Когда это происходит, белок меняет конформацию, и различные участки активации становятся открытыми, что может вызвать реакцию иммунной системы, когда организм пытается атаковать имплантат, чтобы удалить инородный материал. Триггер реакции иммунной системы может сопровождаться воспалением. Реакция иммунной системы может привести к хроническому воспалению, когда имплантат отторгается и должен быть удален из организма. Иммунная система может инкапсулировать имплантат в попытке удалить инородный материал из участка ткани, инкапсулируя имплантат в фибриноген и тромбоциты . Инкапсуляция имплантата может привести к дальнейшим осложнениям, поскольку толстые слои фиброзной инкапсуляции могут помешать имплантату выполнять желаемые функции. Бактерии могут атаковать фиброзную инкапсуляцию и внедряться в волокна. Поскольку слои волокон толстые, антибиотики могут не достичь бактерий, и бактерии могут разрастись и заразить окружающие ткани. Чтобы удалить бактерии, имплантат придется удалить. Наконец, иммунная система может принять присутствие имплантата и восстановить и ремоделировать окружающие ткани. Похожие реакции происходят, когда организм инициирует аллергическую реакцию на инородное тело. В случае аллергической реакции на инородное тело имплантат придется удалить. [34]
Многочисленные примеры отказа имплантата включают разрыв силиконовых грудных имплантатов , тазобедренных суставов и искусственных сердечных клапанов , таких как клапан Бьорк-Шили , все из которых стали причиной вмешательства FDA. Последствия отказа имплантата зависят от природы имплантата и его положения в организме. Таким образом, отказ сердечного клапана, скорее всего, будет угрожать жизни человека, в то время как отказ грудного имплантата или тазобедренного сустава, скорее всего, не будет угрожать жизни. [1] [34] [35]
Устройства, имплантированные непосредственно в серое вещество мозга, производят сигналы самого высокого качества, но склонны к образованию рубцовой ткани , в результате чего сигнал становится слабее или даже исчезает, поскольку организм реагирует на инородное тело в мозге. [36]
В 2018 году Implant files , расследование, проведенное ICIJ, показало, что в тела пациентов имплантировались небезопасные и не прошедшие адекватных испытаний медицинские устройства. В Соединенном Королевстве профессор Дерек Алдерсон, президент Королевского колледжа хирургов , пришел к выводу: «Все имплантируемые устройства должны быть зарегистрированы и отслеживаться для контроля эффективности и безопасности пациентов в долгосрочной перспективе». [37]
Соответствующая информация в файле foiclass.zip.