Биоинтерфейс медицинских изделий

Страница о границе раздела: что ткань делает с поверхностью изделия и что поверхность делает с тканью. Конструкция, материалы несущей части и сроки службы имплантов разбираются отдельно, в статье о биомедицинской инженерии имплантов; здесь речь только о первых нанометрах.

Клетка никогда не видит материал

Через секунды после контакта с кровью или межтканевой жидкостью поверхность покрывается адсорбированным белковым слоем, и всё дальнейшее клеточное узнавание идёт по нему, а не по титану или полимеру. Состав слоя меняется во времени: сначала садятся мелкие и подвижные белки, присутствующие в большой концентрации, — прежде всего альбумин, — затем их вытесняют более крупные и сильнее связывающиеся, фибриноген, а после высокомолекулярный кининоген и фибронектин. Эту смену принято называть последовательностью Вромана. Итоговый набор адсорбированных молекул и, что важнее, их конформация после разворачивания на поверхности определяют, какие интегриновые и рецепторные сайты окажутся доступны. Гидрофобная поверхность разворачивает белок сильнее и обнажает скрытые эпитопы; поэтому «инертный» в химическом смысле материал вполне может быть биологически активным.

Реакция на инородное тело

Дальнейшее развитие стереотипно. На адсорбированный фибриноген через рецептор Mac-1 садятся нейтрофилы, за ними приходят моноциты и дифференцируются в макрофаги. Макрофаг не способен фагоцитировать объект размером в сантиметры и переходит в состояние фрустрированного фагоцитоза: секретирует активные формы кислорода и протеазы прямо на поверхность и сливается в многоядерные гигантские клетки инородных тел. Их цитокины привлекают фибробласты, и вокруг изделия формируется бессосудистая коллагеновая капсула толщиной от десятков до сотен микрометров. Для механического импланта это чаще всего приемлемо; для сенсора, электрода или устройства с высвобождением лекарства капсула — диффузионный барьер, который и объясняет дрейф чувствительности глюкозных сенсоров и рост порогов стимуляции со временем.

Кровь и механика

При контакте с кровью критична другая ветвь: адсорбированный фибриноген и фактор XII запускают контактную активацию свёртывания и адгезию тромбоцитов, поэтому сосудистые протезы малого диаметра и оксигенаторы требуют либо системной антикоагуляции, либо поверхности, её заменяющей, — гепаринизированной, эндотелизированной или с полимерами, имитирующими фосфолипидные головки мембраны. Отдельный и часто недооценённый фактор — механическое несоответствие. Модуль упругости мягкой ткани лежит в килопаскалях, кремния и металла — в десятках и сотнях гигапаскалей; при каждом движении на границе возникают микродеформации, поддерживающие хроническое воспаление. Поэтому уменьшение жёсткости и размера зонда даёт эффект, сравнимый с химической модификацией.

Что работает и что не решено

Работают: гидрофильные полимерные щётки, снижающие адсорбцию за счёт стерического отталкивания и связанной воды; цвиттер-ионные покрытия; иммобилизованные пептиды RGD, направленно поддерживающие адгезию нужных клеток. Все они ослабляют реакцию, но ни одно покрытие не отменяет её; износ и деградация покрытия со временем возвращают поверхность к исходному поведению. Полностью «невидимого» для иммунной системы долгосрочного интерфейса пока не существует.