Материалы с памятью формы открывают новые перспективы в медицине. Попробуйте сломать ветку березы. Сделать это нелегко. Живая ткань обладает особыми способностями переносить нагрузку: если ее пытаются деформировать, то она растягивается, как резина, в то время как металл, например, гнется, а потом ломается. Потому-то металлический имплантат, соприкасаясь с живыми тканями, воспринимается ими как нечто чужеродное и постепенно не выдерживает нагрузки, разрушается. Сейчас в нашей стране созданы сверхэластичные сплавы с памятью формы, которые при нагрузке ведут себя так же, как живая ткань. С помощью этих материалов удалось добиться удивительных результатов: например, заменять поврежденные тела позвонков, создавать "живые" органы, замещать ткани при костных опухолях и даже менять форму хирургических инструментов между операциями.

Типичная диаграмма деформации металла. По оси ординат - напряжение, возникающее в материале при приложении нагрузки, по оси абсцисс - деформация. На начальном этапе деформация прямо пропорциональна нагрузке и обратима.

Диаграммы деформации биологических материалов: 1 - волос, 2 - кость, 3 - мягкая ткань. Для сравнения показана диаграмма деформации сверхэластичного металлического сплава (4). Он ведет себя почти как живой.

Так выглядят под микроскопом сплавы на основе никелида титана.

На рентгенограмме видна скобка из никелида титана, которой скреплена кость после перелома ключицы.

Протез, замещающий удаленную часть печени, - втулка с лепестками, которая закроет перерезанные желчные протоки и кровеносные сосуды.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Через 90 суток после того, как в место перелома был поставлен имплантат из никелида титана (вверху), пористый материал прорастает костной тканью (внизу). Организм воспринимает его как нечто "родное".

Форму скальпеля из никелида титана хирург может изменять перед операцией по своему усмотрению.

Пористые криоаппликаторы из никелида титана позволяют хирургу воздействовать целебным холодом на опухоли в самых труднодоступных уголках организма.

Протез с памятью

До XVIII века для целей имплантации использовались в основном драгоценные металлы - золото, серебро, позднее в практику вошло использование высококачественной нержавеющей стали. В начале двадцатого века появились танталовые, титановые, кобальтовые и молибденовые сплавы.

Все это были материалы на основе металлов. Обладая высокой прочностью, легкостью и устойчивостью к коррозии, они, однако, мало удовлетворяли еще одному важному требованию, которое необходимо для любого вещества, имплантируемого в живые ткани. Дело в том, что металл и живая ткань по-разному противостоят деформации при длительной знакопеременной нагрузке: растяжении, сдавливании, вибрации. Поясним это на примере. Если взять полоску металла и попытаться растянуть ее, то она будет растягиваться, но потом, при снятии напряжения, вернется к своей исходной форме. Ее деформация прямо пропорциональна нагрузке и на начальном этапе обратима. Эта закономерность получила название закона Гука. Если же растяжение будет очень сильным, то полоска деформируется необратимо: при снятии нагрузки она не восстановит свою форму. Совершенно иначе ведет себя биологическая ткань. Томские ученые под руководством В. Э. Гюнтера установили, что биологические ткани подчиняются иным закономерностям - закону запаздывания. Возьмем человеческий волос. При нагрузке он изменяет свою форму не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, так что зависимость между деформацией и нагрузкой не прямо пропорциональна, то есть закон Гука не выполняется. Когда же нагрузка снимается, волос возвращается к своей исходной форме так, словно он "помнит" о ней. Сходным образом ведут себя и другие живые ткани: костная ткань, коллаген, древесина.

Любой "неживой" материал реагирует на нагрузку совершенно иначе, чем окружающие его живые ткани. Рано или поздно он не выдерживает нагрузки и разрушается, его приходится заменять.

Выход из положения нашелся, когда были открыты сплавы с памятью формы. В 1949 году российские ученые обнаружили у сплавов меди и алюминия необыкновенные свойства. В 60-х годах в Америке такие же свойства были найдены американскими учеными и в сплаве никеля и титана. Этот сплав при изменении температуры восстанавливает свою исходную форму. Вскоре в 70-х годах в России были созданы сплавы с памятью формы для медицинского применения. В 1976 году в клиниках города Томска были установлены первые "живые" имплантаты, которые использовали для фиксации позвоночника и в челюстно-лицевой хирургии, а также при переломе бедренной кости. Так началась история использования материалов с памятью формы в медицине. Сегодня коллективом сибирских ученых разработаны сотни методик, которые позволили решать в медицине задачи, ранее казавшиеся неразрешимыми.

Как "собрать" позвоночник?

Прежде всего новые материалы были широко использованы травматологами. Например, при лечении переломов трубчатых костей (к ним относятся большинство длинных костей скелета человека) нужно не только точно соединить концы сломанной кости, но и зафиксировать их в стабильном эластичном состоянии. Это необходимо, чтобы произошло срастание костной и соединительной тканей, вновь соединяющих отломанные кусочки кости. Надежно закрепить костные ткани снаружи довольно трудно, это требует длительного наложения гипса. Кроме того, сломанная рука или нога пациента долгое время остается в неподвижном состоянии, что ведет к деградации мышц, снижению обменных процессов в тканях и другим нежелательным последствиям.

Выходом из положения могло бы стать наложение фиксатора непосредственно на кость, но для этого пришлось бы рассекать обширный мышечный слой и травмировать пациента. Эту проблему помогли снять сверхэластичные имплантаты с памятью формы. Их в виде скобки моделируют по форме сломанной кости, затем охлаждают до 0-10^оС. В охлажденном состоянии скобку деформируют и внедряют в поврежденную кость, минимально травмируя ткани. После этого, нагреваясь до температуры тела, имплантат восстанавливает первоначальную форму, стабильно соединяя и удерживая отломанные части кости.

По этому принципу устроены и многие другие имплантаты с памятью формы для фиксации костных тканей при разных видах переломов. Благодаря их эластичности пациенту не нужно носить гипсовую повязку и долгое время пребывать в неподвижности.

Особо сложной задачей была разработка имплантатов для фиксации позвоночника. Впервые имплантат с памятью формы больному с переломом позвоночника установлен в 1982 году. Коллектив ученых в НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы (г. Томск) разработал специальные пористые проницаемые имплантаты с памятью формы, которые позволили не только закреплять тела позвонков, но и замещать их. Дело в том, что живая костная ткань, окружающая такой имплантат, - чрезвычайно сложная система. Она обладает уникальными свойствами: определенным коэффициентом смачиваемости, эластичностью, капиллярным эффектом. Внутри кость состоит из причудливо перекрещивающихся костных балочек, между которыми находятся клетки - остеобласты. Создать такой сложный материал искусственным путем невозможно. Но в этом и нет необходимости. Ведь через 2,5 месяца после установки имплантата из пористого материала с памятью формы костная ткань из сохранившейся части позвонка сама прорастает внутрь пористой структуры. В ней образуются костные балочки и клетки-остеобласты. Фактически имплантат создает условия для образования новой кости на месте той, которая была разрушена. То, что организм воспринимает его как что-то "родное", подтверждает отсутствие воспаления в области имплантации, а также то, что вокруг имплантата не образуется капсула из соединительной ткани, которая обычно окружает металлическую конструкцию в организме.

Так у хирургов появилась возможность восстанавливать тела позвонков при самых тяжелых травмах позвоночника. Кроме того, имплантатом с памятью формы можно заменить и межпозвонковые диски, которые разрушаются при некоторых заболеваниях. Это позволяет эффективно лечить, например, остеохондроз.

С помощью сверхэластичных материалов с памятью формы стало возможным исправлять деформацию позвоночника при сколиозе и кифозе. Такой подход оказался эффективным для коррекции даже сильно выраженной деформации позвоночника.

Новые медицинские технологии открыли новые возможности и в онкологии. У больных с опухолями костной ткани нередко приходилось удалять большие сегменты кости, что неизбежно превращало пациента в инвалида. Тем не менее на это приходилось идти. Со временем научились замещать удаленный участок костной ткани пористым сплавом на основе никелида титана. Специальные исследования подтвердили, что такая процедура не ухудшает прогноз онкологического заболевания и не способствует распространению метастазов. Но самое главное - можно обойтись без ампутации руки или ноги.

"Пробка" для печени

Когда сибирские исследователи убедились, что организм "принимает" имплантаты с памятью формы не как чужеродный материал, а как что-то "родное", возникла идея создать имплантаты для поддержания работы внутренних органов.

Довольно часто хирургам приходится удалять часть печени, если она поражена опухолью, кистой, гемангиомой, паразитами. Печень устроена очень сложно: основную рыхлую ткань, паренхиму, пронизывают многочисленные кровеносные и желчные сосуды. При удалении части печени нужно не только заменить имплантатом часть паренхимы, но и каким-то образом перекрыть перерезанные желчные и кровеносные сосуды. Эту задачу удалось вполне успешно решить с помощью небольшого устройства, которое выглядит как втулка с лепестками на краях. Ее размеры точно подгоняются под размеры участка печени, который предстоит удалить. Перед операцией втулку охлаждают и лепестки складывают так, что она принимает форму цилиндрика. В таком виде втулку вводят в печень сразу после удаления пораженной части. По мере нагревания до температуры тела лепестки втулки раскрываются, возвращаясь к заданной форме, и плотно прижимаются к области раны, перекрывая кровеносные сосуды и желчные протоки. Пористый материал имплантата стимулирует прорастание живой ткани печени. Таким образом, область раны постепенно замещается нормальными клетками.

Сегодня разработаны и применяются "живые" имплантаты в хирургии почки, кишечника, пищевода, желудка, крупных сосудов.

При лечении некоторых заболеваний внутренних органов в последние годы применяется такой метод: работу больного органа временно "доверяют" его аналогу - трансплантату, содержащему здоровые клетки этого органа, взятые от донора. Таким путем удается помочь, например, пациентам с сахарным диабетом. При этом клетки донора помещают в особую капсулу с перфорированными стенками. Через отверстия свободно проникают лечебные вещества, которые вырабатывают клетки, но не могут пройти крупные клетки иммунной системы, пытающиеся уничтожить "пришельцев". Эффективность такого лечения не слишком велика, так как трансплантат, замещаясь тканью, быстро выходит из строя. Сибирские ученые создали носитель-инкубатор клеточных структур - пористый проницаемый материал с памятью формы. Эта разработка НИИ медицинских материалов с памятью формы и Томского государственного медицинского университета стала настоящим открытием. Такая конструкция, не отторгаясь, вырабатывает и выделяет в ткани вещества, "родные" для организма.

Податливый скальпель

Материалы с памятью особенно эффективны для создания медицинского инструментария. Они прочны, износоустойчивы, переносят любую стерилизацию и биологически совместимы с живыми тканями. С помощью сплавов на основе никелида титана можно создавать инструменты, меняющие свою форму при изменении напряжения и температуры. Это очень удобно для хирурга, выполняющего последовательно ряд операций, например при удалении полипов из носа. Хирургические манипуляции в этом случае очень сложны: у каждого человека размеры и строение носовых ходов индивидуальны, поэтому обычный "жесткий" скальпель не позволяет во многих случаях решить проблему. Для этой цели разработан материал и сконструирован скальпель с изменяемой геометрией рабочей части. Перед операцией ему придают изгиб, наилучшим образом соответствующий строению носовых ходов пациента, а также форме полипа, который предстоит удалить. Гибкая петля на конце скальпеля позволяет охватить ножку полипа и затем осторожно срезать ее. Когда скальпель используют для другого пациента, ему придают другую форму. Инструмент способен выдержать миллион таких циклов и не разрушиться. Сходными свойствами обладают разработанные сибирскими учеными криоаппликаторы из пористого никелида титана. Эти инструменты используют при криохирургических операциях, когда при помощи очень низких температур (-200^оС) разрушают патологическую ткань, например опухоль. Благодаря пористой проницаемой структуре криоаппликатора он легко пропитывается охлаждающим веществом и не нагревается внутри организма. Изменяя форму криоаппликатора, хирург может в самых труднодоступных местах воздействовать непосредственно на больной участок. Это позволяет достичь высокой точности и эффективности лечения.

***

Трудно охватить в рамках одной статьи все достижения нового направления в медицине, которое сегодня активно разрабатывается сибирскими учеными. Ясно, что история использования материалов с памятью формы в медицине только начинается и сулит еще немало удивительных открытий.

Автор и редакция благодарят профессора В. Э. Гюнтера и издательство Томского университета за предоставленный материал для подготовки статьи.

№12, 1999