Использование Электретов в медицине

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет

В течение последних 5-7 лет сформировалась и интенсивно развивается новая отрасль медицины, основанная на использовании близкодействующих статических электрических полей для стимулирования позитивных биологических процессов в организме человека. Главной отличительной особенностью практических методов, основанных на этой концепции, является то, что электрические поля создаются не традиционными электротехническими источниками энергии с сетевым или аккумуляторным электропитанием, а функционирующими автономно электретными пленками, нанесенными на имплантаты различного назначения, широко применяемые в медицине.

Электрет - это диэлектрик, на поверхности или в объеме которого продолжительное время сохраняются не скомпенсированные электрические заряды, создающие в окружающем электрет пространстве квазистатическое (медленно меняющееся во времени) электрическое поле. Попадая вместе с имплантатом в организм человека, электретная пленка своим полем оказывает дозированное локальное воздействие на поврежденный орган, способствуя его лечению в оптимальных биофизических условиях. В основе этого процесса лежит природный эффект, состоящий в том, что внешнее близкодействующее электрическое поле определенной величины и знака, действуя на клеточном уровне, является катализатором появления здоровых новообразований в живых тканях.

Перевести работы по данной тематике из области медицинских предположений в плоскость конкретных медицинских экспериментов, направленных на получение практических конечных результатов, стало возможным только благодаря исследованиям в области конверсионных вакуумных пленочных технологий, выполненным на факультете электроники Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ) под руководством профессора Быстрова Ю.А. и доцента Ласки В.Л. совместно с ведущими специалистами медицины города Санкт-Петербурга. Факультет электроники ЛЭТИ представляет собой высокопрофессиональный научный коллектив, насчитывающий в своем составе несколько академиков и член-корреспондентов РАН, более 30 профессоров, около 80 доцентов и одного лауреата Нобелевской премии 2000 года - Ж.И. Алферова.

Результатом проведенных исследований стал комплекс принципиальных технологий нанесения в вакууме био - и химически инертных, обладающих заданными электретными свойствами, высокой адгезией и чистотой, равномерными свойствами на протяженных подложках сложной пространственной конфигурации пленок пятиокиси танталана поверхности медицинских имплантатов различного назначения.

Выбор электретных покрытий стехиометрического состава Та2О5 объясняется их уникальными свойствами. Так, тантал, уступая по температуре плавления только вольфраму, имеет рекордную химическую стойкость, значительно превосходя по этому параметру такой металл, как золото. Тантал является хорошим проводником и единственным металлом, который не отторгается живой человеческой тканью. Высший окисел тантала Та2О5, является отличным диэлектриком (~ 28... 32), имеет высокие механические свойства, био - и химически инертен. После специальной обработки он приобретает электретные свойства, т.е. способность создавать в течение длительного времени в непосредственной близости от своей поверхности квазистатическое электрическое поле.

Отличительной особенностью разработанных технологий является возможность обеспечения и управляемого регулирования электретных свойств пленок непосредственно в ходе технологического процесса. При этом удается получать покрытия с эффективной поверхностной плотностью электретного заряда более 4(10-4 Кл/м2, практически не изменяющие свои свойства в течение нескольких лет. В качестве подложек возможно использование металлов, сплавов, керамик, и даже термопластичных пластмасс с температурой плавления до 100° С.

Результаты исследований в области технологии отмечены рядом патентов Российской Федерации, именно они составили техническую и технологическую базу новой медицинской отрасли.

В настоящее время положительные результаты применения электретных пленок пятиокиси тантала получены в следующих областях медицины.

1. Ортопедическая стоматология. Изоляция протезов, изготовленных из акриловых пластмасс, тонкими вакуумными пленками пятиокиси тантала позволяет полностью устранить все патологические проявления, обусловленные непереносимостью акрилатов: химико-токсические, аллергические, электрогальванические. Более подробно методика и результаты экспериментов изложены в Приложении I.

2. Травматология и ортопедия. Применение электретных покрытий пятиокиси тантала основано на использовании внешних электрических воздействий для ускорения развития костной ткани при лечении переломов и болезней опорно-двигательной системы человека. Для этого на место перелома имплантируется титановая пластина-фиксатор, на поверхность которой нанесена пленка электрета. Результатом такого оперативного вмешательства является механическая фиксация костных отломков, а также реализация главной задачи - воздействие электрического поля электретного покрытия на травмированную кость. Это приводит к сокращению сроков сращивания костей в 2 - 2.5 раза с гарантией от послеоперационных осложнений. Более подробно методика и результаты экспериментов изложены в Приложении II.

3. Челюстно-лицевая хирургия. Применение электретных покрытий позволяет направленно влиять на процессы сепаративного остеосинтеза при лечении больных с травматическими повреждениями костей лицевого черепа, а также при дентальной имплантации. Использование имплантатов с электретным покрытием пятиокиси тантала исключает местные воспалительные осложнения, сокращает сроки приживления имплантатов и ускоряет применение дозированных функциональных нагрузок. Более подробно методика и результаты экспериментов изложены в Приложении III.

4. Хирургия. Разработан и клинически апробирован электретный аппликатор, предназначенный для усиления репаративных процессов при лечении дефектов кожных покровов и соединительной ткани при длительно незаживающих раневых процессах, пролежнях, нейротрофических язвах, термических поражениях. Более подробно методика и результаты экспериментов изложены в Приложении IV.

На самой начальной стадии, где конечный результат еще не получен, или даже на стадии идеи находятся работы по применению диэлектрических и электретных пленок пятиокиси тантала в следующих областях медицины:

1. Кардиохирургия. При нанесении электретных пленок, имеющих отрицательный потенциал, на внутреннюю поверхность искусственных кровеносных сосудов можно принципиально исключить возможность образования тромбов в них, т.к. клетки, тромбирующие сосуд, имеют отрицательный заряд и будут отталкиваться от стенок сосуда силами кулоновского взаимодействия.

2. Косметология. Использование материалов (например, вместо золотых нитей) с химически - и био - инертными неотторгаемыми покрытиями пятиокиси тантала позволит существенно снизить затраты на проведение лечения и значительно повысит его качественные показатели.

3. Изготовление "диэлектрического" медицинского инструментария. В ряде областей хирургии, например, в нейрохирургии принципиально необходим "диэлектрический" медицинский инструментарий (скальпели, зажимы и т.п.). В рамках разработанных технологий не встречает трудностей организация производства такого инструментария путем нанесения прочных, имеющих высокую адгезию, диэлектрических пленок пятиокиси тантала на поверхность традиционно применяемых металлических изделий аналогичного назначения.

4. Эндопротезирование. Нанесение электретных пленок пятиокиси тантала на детали эндопротезов, находящиеся в контакте с костной тканью и испытывающие большие механические нагрузки, устранит эффект отторжения и тем самым значительно увеличит срок службы таких конструкций.

Уверены, что диэлектрические и электретные пленки пятиокиси тантала, благодаря их уникальным свойствам, имеют универсальное значение для медицины. Поэтому те области медицины, о которых речь шла выше, составляют лишь малую часть возможных конкретных способов их применения.

Научные руководители проекта: Быстров Юрий Александрович - д.т.н., профессор, декан факультета электроники, лауреат Государственной премии РФ. Ласка Владимир Львович - к.т.н., доцент факультета электроники.

Приложение I.

Работы по проверке эффективности применения диэлектрических и электретных покрытий пятиокиси тантала в ортопедической стоматологии проводятся на кафедре ортопедической стоматологии Санкт-Петербургской медицинской академии последипломного образования под руководством заведующего кафедрой, доктора медицинских наук, Вице-президента стоматологической ассоциации России, профессора А.В. Цимбалистова.

Под непереносимостью зубных протезов подразумевается комплекс патологических реакций тканей протезного ложа и организма в целом на конструкционные материалы, используемые в стоматологии. Это понятие включает в себя все патологические проявления, обусловленные действием материалов протезов. Возможными механизмами непереносимости конструкционных материалов являются: химико-токсический, аллергический и электрогальванический.

При наличии непереносимости акриловых протезов больные предъявляют жалобы на жжение слизистой оболочки полости рта, жжение и пощипывание языка, отечность слизистой, сухость во рту. Объективно явления непереносимости могут сопровождаться гиперемией (ограниченной пределами протезного ложа или разлитой), отеком слизистой оболочки губ, щек, языка, петехиальными кровоизлияниями, наличием папул и эрозий. Наряду с местными реакциями, возможны общие проявления непереносимости в виде ринита, крапивницы, дерматита, конъюнктивита, реакции со стороны центральной нервной системы (бессонница, головокружение), обострение хронических заболеваний. Общие проявления могут сочетаться с местными симптомами или реализовываться изолированно. Постоянное выделение из протезов малых доз токсических веществ приводит к хронической интоксикации организма.

Причиной перечисленных патологических проявлений является действие на организм человека продуктов поверхностной эрозии и элиминации компонентов акриловых пластмасс, в состав которых входит метилметакрилат, соединения метакриловой и акриловой кислот, различного рода пластификаторы, замутнители, красители и катализаторы. Эрозия пластмассы происходит под действием ряда причин, в числе которых - неполное связывание мономера в процессе полимеризации, селективная экстракция компонентов, химические и механические нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации протеза.

Попытки устранения явлений непереносимости акриловых пластмасс в стоматологии, связаны с созданием на их поверхности изолирующих барьерных слоев, препятствующих выделению в полость рта продуктов эрозии.

Радикальным решением проблемы является нанесение на поверхность протезов покрытий различных материалов. Чаще всего для этой цели используются

Радикальным решением проблемы является нанесение на поверхность протезов покрытий различных материалов. Чаще всего для этой цели используются гальванические покрытия благородных металлов (золото, платина, палладий, серебро) толщиной до 50 мкм. Серьезным недостатком этих покрытий является то, что перечисленные металлы не всегда отвечают требованиям биосовместимости. Кроме того, металлизированная пластмасса приводит к появлению гальванических пар в полости рта. Гальванические покрытия толщиной несколько десятков микрометров изменяют микрорельеф поверхности протезов и нарушают их фиксацию.

В идеальном варианте материал покрытия, препятствующего эрозии пластмассы, должен обладать следующими свойствами:

• биоинертностью к тканям организма;
• высокой прочностью, обеспечивающей целостность покрытия при механических нагрузках, возникающих в процессе эксплуатации;
• химической инертностью к агрессивной среде в полости рта и применяемым стоматологическим материалам;
• материал покрытия должен обладать диэлектрическими свойствами для исключения возможности образования гальванических пар в полости рта.

Этим требованиям в полной мере удовлетворяет пятиокись тантала (Та2О5).

Наряду с электрофизическими исследованиями свойств покрытий проведена их клиническая апробация.

Обследовано 25 пациентов, обратившихся с жалобами на непереносимость существующих акриловых протезов. У всех больных проведены внутриротовые эпимукозные аллергологические тесты при помощи пластмассовых дисков диаметром два сантиметра. Оценено состояние слизистой оболочки полости рта и ее микроциркуляторного русла до начала исследования и после двухчасового контакта с конструкционным стоматологическим материалом. В случае положительной реакции отмечается появление разлитой или локализованной гиперемии, отека, складчатости слизистой оболочки, обнаруживаются структурные и реологические изменения в системе микроциркуляции. На основании этих данных диагностировалась непереносимость к исследуемому материалу, из которого изготовлены протезы. Далее ставились пробы с использование аналогичных дисков, имеющих на своей поверхности пленку из окиси тантала. Во всех 25 случаях получена отрицательная реакция. Эти результаты позволили наносить предлагаемое покрытие на ранее изготовленные протезы у больных с явлениями непереносимости. При последующей эксплуатации протезов пациенты отмечают исчезновения явления жжения, сухости, отечности слизистой оболочки полости рта, улучшение общего состояния.

Еще одной важной проблемой, которая успешно решается при использовании диэлектрических покрытий пятиокиси тантала, является проблема гальванизма в полости рта. В настоящее время для терапевтического и ортопедического лечения в стоматологии применяется большое количество электропроводящих элементов - изделий из металлов и их сплавов. Всегда, когда проводник и электролит находятся в контакте, возникает электрический эффект, который заключается в стремлении металла отдать положительно заряженные ионы в раствор, сохранив принадлежащие ему электроны. Вследствие этого на проводнике, погруженном в электролит (слюну), возникает электрический заряд, а между разнородными проводниками - разность электрохимических потенциалов, т.е. образуется гальванический элемент. Возникающие при этом токи электронов и ионов приводят к серьезным заболеваниям.

При наличии во рту металлических включений возможны три вида патологического воздействия на организм человека: химико-токсическое, электрогальваническое (повреждающее действие гальванического тока) и аллергическое. Данный симптомокомплекс выявлен как у лиц, пользующихся проводящими включениями из неблагородных (недрагоценных) или их сочетаний с благородными, так и у тех, которые пользуются протезами из благородных металлов.

Наиболее характерная клиническая картина заболеваний, вызванных стоматологическими конструкциями из металла, выражается следующими признаками: изменение вкуса (привкус металла, кислоты, соли, горечи), парестезии различных участков слизистой оболочки полости рта и языка, глоссалгия, стомалгия, которые всегда сочетаются с объективными изменениями слизистой рта, губ и языка: гиперемия, отек, папулы, эрозии, афты, язвы, точечные кровоизлияния, очаговый пародонтит. Наряду с местными могут развиваться и реакции, удаленные от слизистой полости рта (ринит, крапивница, дерматит, экзема), которые либо сопутствуют указанным выше субъективным и объективным симптомам, либо, что значительно реже, являются единственным проявление патологии.

Таким образом, возникает необходимость в диагностировании и устранении последствий использования металлических включений в полости рта.

Нами разработана оригинальная технология нанесения высококачественных диэлектрических пленок пятиокиси тантала, которые полностью изолируют поверхности проводящих изделий от электролита, сводя к нулю опасность возникновения гальванизма в полости рта, при этом использовались стоматологические материалы, такие как сплавы "Вирон", ХКС, изделия с покрытиями нитрида титана.

Приложение II.

Работы по проверке эффективности применения изделий с электретным покрытием пятиокиси тантала в травматологии и ортопедии проводятся в Санкт-Петербургском центре стабильно-функционального остеосинтеза Елизаветинской больницы под руководством директора центра, кандидата медицинских наук В.П.Хомутова.

В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений травматологии является электростимуляция остеосинтеза, т.е. применение внешних электрических воздействий для ускорения развития костной ткани при лечении переломов или отклонений от нормального функционирования опорно-двигательной системы человека. В основе этого направления лежат результаты исследований в области электрофизиологии костей, проведенные специалистами Военно-медицинской академии им. С.М.Кирова в г. Санкт-Петербурге, которые доказали, что каждая кость обладает собственным распределением статического потенциала по длине и в поперечном сечении. Характер распределения изменяется коренным образом в случае серьезной травмы, а тем более перелома кости. На этой базе возникла гипотеза о том, что, если электрические характеристики кости реагируют на ее структурные изменения, то возможна обратная реакция, а именно - изменение структуры кости под влиянием внешних электрических полей. Эта идея реализована следующим образом. На место перелома имплантируется титановая пластина - фиксатор, на поверхность которой нанесена пленка электрета. Электрет - это диэлектрик, на поверхности или в объеме которого продолжительное время сохраняются некомпенсированные электрические заряды, создающие в окружающем электрет пространстве квазистатическое электрическое поле. Результатом такого оперативного вмешательства является жесткая механическая фиксация костных отломков, обеспечивающая их идеальное совмещение, а также реализация главной задачи - воздействие электрического поля электретного покрытия на травмированную кость.

В настоящее время доказано, что в наибольшей степени требованиям медицины удовлетворяет такой электрет, как окись тантала Та2О5. Это связано с тем, что основой окисла является тантал, который представляет собой благородный тугоплавкий металл, обладающий рекордно высокой температурой плавления, коррозийной стойкостью, и, что самое существенное, тантал не отторгается живой тканью. Окись тантала также биоинертна, является хорошим диэлектриком и имеет высокие электретные свойства.

Определение электретного заряда осуществляется методом вибрирующего зонда. При этом измеряется электретный потенциал и по известной толщине пленки рассчитывается эффективная поверхностная плотность некомпенсированного электретного заряда.

Нами разработана специальная измерительная аппаратура, которая обеспечила возможность измерения электретного потенциала на уровне долей вольта. Повышение чувствительности этой аппаратуры стало возможным благодаря использованию компенсационного метода.

Выяснилось также, что при пребывании фиксаторов с электретными покрытиями Та2О5 в физиологическом растворе, имитирующем условия реальной эксплуатации в организме человека, постоянная времени релаксации (составляет величину порядка 22 месяцев. Такой медленный спад потенциала с позиции требований медицины вполне допустим, потому что процесс сращивания костных переломов не превышает 2... 4 месяцев.

В настоящее время проведено более 300 операций по лечению костных переломов с использованием фиксаторов с электретными покрытиями Та2О5, полученными по разработанной технологии. При этом удалось в 2... 2.5 раза сократить сроки анатомо-функционального восстановления и полностью исключить послеоперационные осложнения.

Приложение III.

Экспериментальные работы по проверке эффективности применения электретных покрытий пятиокиси тантала в челюстно-лицевой хирургии проводятся в клинике челюстно-лицевой хирургии Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова под руководством директора клиники, доктора медицинских наук, профессора М.М. Соловьева.

В настоящее время предпринимаются попытки изучения биоэлектрических процессов в костной ткани и ее электретных свойств. Это позволяет использовать различные материалы с электретными свойствами для направленного влияния на процессы репаративного остеогенеза, что является актуальным как при лечении больных с травматическими повреждениями костей лицевого черепа, так и при дентальной имплантации.

Одним из наиболее перспективных способов использования электретных покрытий в челюстно-лицевой хирургии является применение дентальных имплантатов с нанесенной на их поверхность электретной пленкой пятиокиси тантала (Ta2O5) с целью оптимизации процессов остеоинтеграции при возмещении дефектов зубных рядов. В доступной нам отечественной и зарубежной литературе отсутствуют данные о влиянии электретов на процессы остеоинтеграции при вживлении в кость имплантатов винтовой и цилиндрической формы. Это послужило основанием для проведения экспериментального исследования, целью которого было выяснение реакции костной ткани и сравнение эффективности процессов остеоинтеграции при введении в подвздошную кость кроликов стандартных титановых винтовых имплантатов и таких же имплантатов, но с электретным покрытием пятиокиситантала. Животных выводили в различные сроки после операции (1, 3, 4, 6 месяцев), после чего костные препараты подвергали щадящей декальцинации в растворе Трилона Б. Анализ материала проводился на 5 мкм парафиновых срезах костной ткани с последующей окраской препаратов гематоксилин-эозином, пикрофуксином по Ван-Гизону и Конго-рот. Первая окраска служит для обзорного микроскопического исследования, вторая способствует верификации волокнистых структур (коллагеновые волокна), третья служит для оценки вновь образованной костной ткани.

Характерные фотографии срезов костной ткани, полученные в результате серии экспериментов, показаны на рис.1, 2. Обобщая результаты проведенного экспериментального исследования, можно сделать однозначный вывод о том, что электретное покрытие существенно ускоряет процессы остеоинтеграции. Так, уже к концу третьего месяца после операции (см. рис.1) вокруг имплантатов с электретным покрытием практически полностью завершается процесс формирования костной ткани, отсутствуют признаки воспалительной реакции. В тех же условиях вокруг имплантатов из титана без электретного покрытия обнаруживаются признаки остеогенеза, однако этот процесс сопровождается ростом соединительной ткани и продуктивной воспалительной реакцией (рис.2).

Таким образом, полученные результаты экспериментального исследования открывают большие перспективы для специалистов в области дентальной имплантологии. Нанесение на поверхность имплантатов электретного пленочного покрытия из пятиокиси тантала способствует наиболее оптимальному протеканию процессов остеоинтеграции, сводит к минимуму риск развития ближайших и отдаленных воспалительных осложнений, позволяет надеяться на благоприятный исход имплантации даже у прогностические неблагоприятной категории пациентов.

В клинике челюстно-лицевой и пластической хирургии СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова электретное покрытие из пятиокиси тантала широко применяется при оперативном лечении больных с переломами нижней челюсти, а также пациентов с сочетанными зубо-челюстно-лицевыми аномалиями, которым проводится остеотомия и последующий остеосинтез нижней челюсти. Пленочное покрытие Ta2O5 наносится на поверхность титановых минипластин и шурупов для фиксации отломков нижней челюсти. Нами не зарегистрировано ни одного случая воспалительных осложнений после электретного остеосинтеза нижней челюсти. Применение электретного покрытия в данном случае позволяет снизить сроки межчелюстной фиксации и применить раннюю дозированную функциональную нагрузку. Таким образом, восстановление функции и окончательная реабилитация больных происходит в значительно более короткие сроки.

Рис. 1

Рис. 2

Приложение IV.

Медико-технические эксперименты по применению электретного аппликатора проводятся под руководством сотрудника С-Петербругской Военно-медицинской академии С.В. Василевича.

Электретный аппликатор предназначен для усиления репаративных процессов при лечении дефектов кожных покровов и соединительной ткани при длительно незаживающих раневых процессах (пролежни, нейротрофические язвы, термические поражения и др.).

Аппликатор представляет собой упругую титановую основу, на которую нанесена био- и химически инертная электретная пленка пятиокиси тантала. Пленка имеет некомпенсированный объемный заряд, создающий в непосредственной близости у поверхности аппликатора слабое квазистационарное поле, стимулирующие позитивные биологические процессы (пролиферацию) в живой ткани.

Электретный аппликатор накладывается непосредственно на раневую поверхность или через 1 - 2 слоя марли. Аппликатор применяется на всех стадиях репаративного процесса, когда дном раневой поверхности являются жизнеспособные ткани (нет струпа, глубоких некротических участков). Преимуществом аппликатора является возможность использования его совместно с обычно применяемыми лекарственными формами - мази,растворы. Ведение раневого процесса с использованием электретного аппликатора не отличается от обычного способа лечения ран.