Современное состояние и перспективные инновационные направления развития способов стерилизации биоимплантатов

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Авторами проанализировано современное состояние способов стерилизации костных имплантатов. Проблема создания эффективных способов стерилизации биоимплантатов еще далека от оптимального решения и  остается актуальной. Среди причин, ограничивающих дальнейшее развитие основных методов стерилизации биоматериалов, выделяется наличие ограничений, связанных с  применением каждого из существующих способов в отдельности, а также использование технологий стерилизующего воздействия. Сравнительный анализ основных методик стерилизации биоимплантатов, используемых в  медико-биологических приложениях (обработка оксидом этилена, радиационное воздействие, обработка влажным теплом, использование жидких сред, озоновая стерилизация), позволяет сделать вывод о  преимуществах применения радиационной стерилизации. Однако при таком выборе возникает дилемма: повышение дозы облучения усиливает стерилизационный эффект радиационной обработки, но в  то же время приводит к  многочисленным морфологическим изменениям тканей, ухудшению их механических характеристик, разрушению морфогенетических белков и, как прямое следствие, – к снижению эффективности процесса репаративного остеогенеза. В  результате отмеченных изменений пластический материал может оказаться непригодным для клинического применения. Одним из реальных подходов к решению указанной проблемы представляется максимально возможное снижение дозы поглощения в  процессе радиационной обработки биоматериалов, по крайней мере до величины порядка 15 кГр. Разработки авторов последних лет показывают, что достижение такого результата может быть обеспечено путем использования комбинированных методик стерилизации, основанных на сочетанном воздействии на стерилизуемый пластический материал физических и  химических факторов. При взаимном усилении стерилизующего воздействия этих факторов создаются предпосылки для их синергетического эффекта, а  интенсивность воздействия каждого из факторов может быть снижена. Это позволяет уменьшить и  степень вредного побочного действия каждого из них в отдельности при усилении суммарного эффекта. Успех поиска инновационных подходов к  решению актуальных проблем стерилизации костных биоимплантатов, к  разработке современных здоровьесберегающих технологий может быть обеспечен только благодаря объединению усилий специалистов смежных наук, что позволит создать прорывные технологии в области стерилизации и оптимизировать данный процесс при достижении его высокой эффективности.

Об авторах

В. В. Розанов

ФГБОУ ВО Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений» Минобрнауки России

Автор, ответственный за переписку.
Email: vrozanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3243-8782

Розанов Владимир Викторович - кандидат физико-математических наук, доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник научного центра гидрофизических исследований физического факультета, профессор кафедры физики ускорителей и радиационной медицины физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова; заведующий лабораторией научноисследовательского и учебнометодического центра биомедицинских технологий НИЦ БМТ ФГБНУ ВИЛАР.

119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1/2, тел.: +7 (495) 939 13 44

Россия

И. В. Матвейчук

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений» Минобрнауки России

Email: nizbmtvilar@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6220-4429

Матвейчук Игорь Васильевич - доктор биологических наук, профессор, руководитель научно-исследовательского и учебнометодического центра биомедицинских технологий, ResearcherID: AAE-8495-2019.

123056, Москва, ул. Красина, 2,. тел.: +7 (499) 254 46 49

Россия

Список литературы

  1. Nemzek JA, Arnoczky SP, Swenson CL. Retroviral transmission in bone allotransplantation. The effects of tissue processing. Clin Orthop Relat Res. 1996;(324):275–82.
  2. Marthy S, Richter M. Human immunodeficiency virus activity in rib allografts. J Oral Maxillofac Surg. 1998;56(4):474–6. doi: 10.1016/s0278-2391(98)90716-9.
  3. Martinez OV, Buck BE, Hernandez M, Malinin T. Blood and marrow cultures as indicators of bone contamination in cadaver donors. Clin Orthop Relat Res. 2003;(409):317–24. doi: 10.1097/01.blo.0000053343.97749.21.
  4. Singh R, Singh D, Singh A. Radiation sterilization of tissue allografts: A review. World J Radiol. 2016;8(4):355–69. doi: 10.4329/wjr.v8.i4.355.
  5. Пантелеев ВИ, Розанов ВВ, Матвейчук ИВ, Лекишвили МВ, Сысоев НН, Шутеев СА, Альков СВ, Андреева ТМ. Медицинские озоновые технологии. Новые задачи, возможности, оборудование. Биомедицинская радиоэлектроника. 2013;(2):3–11.
  6. Матвейчук ИВ, Розанов ВВ, Пантелеев ВИ, Агалакова ЛМ, Кирилова ИА. Инновационные подходы к совершенствованию процесса стерилизации для решения задач биоимплантологии. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2013;(11):92–8.
  7. Алимов АС, Близнюк УА, Борщеговская ПЮ, Варзарь СМ, Еланский СН, Ишханов БС, Литвинов ЮЮ, Матвейчук ИВ, Николаева АА, Розанов ВВ, Студеникин ФР, Черняев АП, Шведунов ВИ, Юров ДС. Применение пучков ускоренных электронов для радиационной обработки продуктов питания и биоматериалов. Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2017;81(6):819–23.
  8. Розанов ВВ, Матвейчук ИВ, Лекишвили МВ, Литвинов ЮЮ, Андреева ТМ, Николаева АА. Инновационные подходы к стерилизации костных имплантатов. Технологии живых систем. 2015;12(4):74–6.
  9. Aho AJ, Hirn M, Aro HT, Heikkilä JT, Meurman O. Bone bank service in Finland. Experience of bacteriologic, serologic and clinical results of the Turku Bone Bank 1972-1995. Acta Orthop Scand. 1998;69(6):559–65. doi: 10.3109/17453679808999255.
  10. Czapliński J. Sterilisation with ethylene oxide – economics and safety. Forum Zakażeń. 2014;5(4):235–7. doi: dx.doi.org/10.15374/FZ2014041.
  11. Kearney JN, Bojar R, Holland KT. Ethylene oxide sterilisation of allogenic bone implants. Clin Mater. 1993;12(3):129–35. doi: 10.1016/0267-6605(93)90063-d.
  12. Kakiuchi M, Ono K. Preparation of bank bone using defatting, freeze-drying and sterilisation with ethylene oxide gas. Part 2. Clinical evaluation of its efficacy and safety. Int Orthop. 1996;20(3):147–52. doi: 10.1007/s002640050052.
  13. Kakiuchi M, Ono K, Nishimura A, Shiokawa H. Preparation of bank bone using defatting, freeze-drying and sterilisation with ethylene oxide gas. Part 1. Experimental evaluation of its efficacy and safety. Int Orthop. 1996;20(3): 142–6. doi: 10.1007/s002640050051.
  14. Arizono T, Iwamoto Y, Okuyama K, Sugioka Y. Ethylene oxide sterilization of bone grafts. Residual gas concentration and fibroblast toxicity. Acta Orthop Scand. 1994;65(6):640–2. doi: 10.3109/17453679408994621.
  15. Muscarella LF. Use of ethylene-oxide gas sterilisation to terminate multidrug-resistant bacterial outbreaks linked to duodenoscopes. BMJ Open Gastroenterol. 2019;6(1):e000282. doi: 10.1136/bmjgast-2019-000282.
  16. Tshamala M, Cox E, De Cock H, Goddeeris BM, Mattheeuws D. Antigenicity of cortical bone allografts in dogs and effect of ethylene oxide-sterilization. Vet Immunol Immunopathol. 1999;69(1):47–59. doi: 10.1016/s0165-2427(99)00042-2.
  17. Russell JL, Block JE. Clinical utility of demineralized bone matrix for osseous defects, arthrodesis, and reconstruction: impact of processing techniques and study methodology. Orthopedics. 1999;22(5):524–31.
  18. Dziedzic-Goclawska A. The effect of radiation sterilization on connective tissue allografts. Proceedings of 2nd World Congress on Tissue Banking “Allograft against disability”. Warsaw; 1999. p. 48.
  19. Tallentire A. The spectrum of microbial radiation sensitivity. Radiation Physics and Chemistry. 1977;15(1):83–9. doi: 10.1016/0146-5724(80)90101-6.
  20. Schmidt T, Hoburg A, Broziat C, Smith MD, Gohs U, Pruss A, Scheffler S. Sterilization with electron beam irradiation influences the biomechanical properties and the early remodeling of tendon allografts for reconstruction of the anterior cruciate ligament (ACL). Cell Tissue Bank. 2012;13(3):387–400. doi: 10.1007/s10561-011-9289-6.
  21. Розанов ВВ, Матвейчук ИВ, Черняев АП, Николаева НА. Изменения морфомеханических характеристик костных имплантатов при радиационной стерилизации. Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2019;83(10):1435–40. doi: 10.1134/S0367676519040203.
  22. Осипенкова-Вичтомова ТК. Судебно-медицинская экспертиза костей. М.: Бином; 2017. 272 с.
  23. Шангина ОР, Нигматуллин РТ. Влияние радиационной стерилизации на структуру и свойства биоматериалов. Морфология. 2006;129(3):44–7.
  24. Nguyen H, Cassady AI, Bennett MB, Gineyts E, Wu A, Morgan DA, Forwood MR. Reducing the radiation sterilization dose improves mechanical and biological quality while retaining sterility assurance levels of bone allografts. Bone. 2013;57(1):194–200. doi: 10.1016/j.bone.2013.07.036.
  25. Akkus O, Belaney RM. Sterilization by gamma radiation impairs the tensile fatigue life of cortical bone by two orders of magnitude. J Orthop Res. 2005;23(5):1054–8. doi: 10.1016/j.orthres.2005.03.003.
  26. Nguyen H, Morgan DA, Forwood MR. Validation of 11 kGy as a radiation sterilization dose for frozen bone allografts. J Arthroplasty. 2011;26(2):303–8. doi: 10.1016/j.arth.2010.03.032.
  27. Draenert GF, Delius M. The mechanically stable steam sterilization of bone grafts. Biomaterials. 2007;28(8):1531–8. doi: 10.1016/j.biomaterials.2006.11.029.
  28. Le Huec JC. Experimental study of the thermic effect on bone at 60 degrees C, as applied to bone allograft. Chirurgie. 1992;118(6–7):397– 404. French.
  29. Kühne JH, Refior HJ, Jansson V, DeToma G, Liepold KP, Verpoorten U. Initial clinical results with heat-treated homologous bone transplants. Z Orthop Ihre Grenzgeb. 1994;132(2): 102–11. German. doi: 10.1055/s-2008-1039827.
  30. Rauh J, Despang F, Baas J, Liebers C, Pruss A, Gelinsky M, Günther KP, Stiehler M. Comparative biomechanical and microstructural analysis of native versus peracetic acid-ethanol treated cancellous bone graft. Biomed Res Int. 2014;2014:784702. doi: 10.1155/2014/784702.
  31. Сибельдина ЛА. Стерилизация озоном. Медицина и здоровье. 2007;11(19):24–5.
  32. Сибельдина ЛА. Дезинфектанты: защита или угроза? Медицина и здоровье. 2009;9(41): 28–9.
  33. Быков ВА, Розанов ВВ, Матвейчук ИВ, Пантелеев ВИ, Шутеев СА, Литвинов ЮЮ, Воротников АИ, авторы; ГНУ ВИЛАР Россельхозакадемии, патентообладатель. Способ изготовления костных имплантов. Пат. 2526429 Рос. Федерация. Опубл. 20.08.2014.
  34. Пантелеев ИВ, Розанов ВВ, Матвейчук ИВ, Бахтин НА, Журнаков ЕА, Сидельников НИ, авторы; ФГБНУ ВИЛАР, патентообладатель. Установка для стерилизации биоматериалов. Пат. 180532 Рос. Федерация. Опубл. 15.06.2018.
  35. Nather A, Chew JLL, Aziz Z. Types of Terminal Sterilization of Tissue Grafts. In: Nather A, Yusof N, Hilmy N. Radiation in Tissue Banking. World Scientific; 2007. p. 3–9. doi: 10.1142/9789812708649_0001.
  36. Dalmasso JP, Mielnik TJ, inventors; Steris Corp, assignee. Method of sterilization of bone tissue. United States patent 5788941A. 1998 Apr 8.
  37. Савельев ВИ, Булатов АА, Рыков ЮА, авторы; ФГУ «РНИИТО им. Р.Р. Вредена Росмедтехнологи», патентообладатель. Комбинированный способ стерилизации костных трансплантатов. Пат. 2356224 Рос. Федерация. Опубл. 27.05.2009.
  38. Эйдус ЛХ. Мембранный механизм биологического действия малых доз. М.; 2001.
  39. Матвейчук ИВ, Розанов ВВ, Гордонова ИК, Никитина ЗК, Сидельников НИ, Литвинов ЮЮ, Николаева АА, Черняев АП, Пантелеев ИВ, авторы; ФГБНУ ВИЛАР, патентообладатель. Комбинированный способ стерилизации костных имплантатов. Пат. 2630464 Рос. Федерация. Опубл. 08.09.2017.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Розанов В.В., Матвейчук И.В., 2019

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах