Введение

Существующее представление о нейрохирургии ставит жесткие рамки в плане требований к биосовместимости, прочности, устойчивости к стерилизации и рентгенпрозрачности материалов, которые используются производителями медицинских изделий [1]. Одним из самых перспективных материалов для дальнейшего использования в широком спектре изделий для нейрохирургии Ziyi Zhang и Junxing Shao из Китайско-Японской объединенной больницы считают полиэфирэфиркетон (PEEK, polyetheretherketone) [2]. Благодаря особенному сочетанию физико-химических и биомеханических свойств данный полимер постепенно приходит на место традиционных материалов, которые используются в медицинской области, таких как титан и нержавеющая сталь. В большей степени это касается производства имплантатов и различных инструментов [3].

Цель исследования – рассмотреть ключевые свойства материала PEEK, выделить его качественные преимущества по сравнению с популярными материалами, а также выделить основные изделия из данного материала в нейрохирургической практике.

Материалы и методы исследования

При написании статьи было проанализировано 46 источников в период с 2010 до 2025 года, в обзоре указано 25 источников.

Результаты исследования и их обсуждение

Общая характеристика материала PEEK

Этот вид материала относится к группе термопластичных полимеров класса полиакрилкетонов (PAK) [4]. Его строение на молекулярном уровне предоставляет возможность сочетать в себе стойкость к термическому и химическому воздействию с механическими свойствами прочности и жесткости, сравнимыми с металлами [5]. Полиэфирэфиркетон способен эксплуатироваться в высоком температурном диапазоне (до 250 ºС), а также устойчив к методам стерилизации паром и радиацией. Материал способен переносить обработку большинством органических растворителей [6].

Как и любой материал, PEEK обладает своими особенностями:

− высокая механическая прочность (до 4 ГПа составляет модуль упругости);

− абсолютная биосовместимость;

− химическая инертность;

− рентгенпрозрачность;

− возможность использования аддитивных технологий и фрезерования;

− высокая устойчивость к износу [7].

Биосовместимость и остеоинтеграция

Совместимость материала PEEK с органическими тканями и жидкостями была доказана многими клиническими исследованиями и экспериментами. Этот полимер исключает вероятность воспалений острого или хронического характера, а также не оказывает ядовитого влияния на «живые» ткани. По сравнению с металлами, PEEK не вступает в окислительную реакцию и не вызывает обмена ионов в организме [8].

Тем не менее пластик в чистом виде, а точнее его поверхность, плохо взаимодействует с тканью костей. Для того, чтобы решить этот вопрос, разрабатываются и изготавливаются различные модификации:

− с нанесением титана в качестве покрытия поверхности;

− создание микропористости и текстурирования;

− разработка субполимеров на основе PEEK с включением керамического или углеродного наполнения.

Эти способы доработки обеспечивают повышение приживления имплантатов, а также ускоряют восстановление пациента [9].

По этой таблице следует, что полиэфирэфиркетон показывает свои преимущества, что крайне важно в вопросах визуализации при МРТ- и КТ-исследованиях. Кроме того, преимущества демонстрируются в плане снижения веса изделий, а также стойкости к коррозии [13].

Применение PEEK в медицинских изделиях для нейрохирургии

Полиэфирэфиркетон может применяться в различных изделиях медицинского назначения.

− Имплантаты для черепно-лицевой хирургии (рис. 1). Для краниопластики PEEK полезен благодаря своим свойствам прочности и совместимости. Он применяется для восстановления дефектов черепных костей. Изготовленные с использованием аддитивных технологий имплантируемые изделия по данным томографий предоставляют возможность полностью повторить анатомические особенности формы головы пациента и обеспечить прекрасный внешний вид. Изделия из этого материала обладают полной прозрачностью при проведении исследований с использованием рентгеновских волн, а также не создают артефактов на снимках в таких исследованиях [14].

Рис. 1. Черепно-лицевые имплантаты из PEEK BONABYTE Примечание: составлено автором по данным источников [15]

Сравнение PEEK с традиционными материалами

Примечание: составлено автором по данным источников [10-12].

− Межтеловые кейджи для позвоночника (рис. 2). В хирургии позвоночника PEEK используют фирмы-производители кейджей межпозвонковых дисков, применяемых на операциях по лечению спондилодеза. Эта модель стабилизирует сегмент позвоночника и помогает сращиванию костей позвоночника. Это обеспечивается низким модулем упругости, близким к показателям костной ткани. PEEK снижает риск проседания имплантата в тело позвонка, и равномерно распределяется нагрузка на само изделие [16].

Рис. 2. Кейджи ООО «Эндокарбон», г. Пенза Примечание: составлено автором по данным источников [17]

− Инструменты и вспомогательные устройства. Полиэфирэфиркетон обладает высокой устойчивостью к многократной стерилизации, что прекрасно подходит для производства инструментов хирурга, различных зажимов, ретракторов и направляющих (рис. 3). А диэлектрические свойства обеспечивают применение подобных изделий в электрохирургии [18].

− Нейростимуляторы и корпуса приборов. Данный материал подходит для изготовления корпусов интракраниальных нейростимуляторов, катетеров и систем доставки лекарств. Устойчивость к химическому воздействию PEEK, а также его стабильность при долговременном воздействии с биологическими тканями делает его идеальным вариантом для длительной имплантации [20].

Виды технологий производства и обработки

PEEK может быть обработан механическими методами в виде фрезеровки и сверления, а также изделия могут быть изготовлены с использованием аддитивных технологий [21]. 3D-печать материала PEEK требует экструдеров, способных нагреваться до высоких температур (свыше 400 °− плазменная обработка;

− гидроабразивная текстуризация;

− лазерное травление.

Эти методы включают в технологический процесс производства изделий с целью повышения адгезии к тканям костей, а также для улучшения включения в структуру костей [23].

Рис. 3. Лапароскопический инструмент из PEEK-диэлектрик от Microline Surgical Примечание: составлено автором по данным источников [19]

Перспективы и ограничения

Хотя PEEK обладает большим рядом достоинств, он имеет и свои недостатки:

− более высокая стоимость в сравнении с металлами;

− низкое взаимодействие с поверхностью костей при отсутствии предварительной обработки;

− потребность в модификации для эффективного включения в структуру костей [24].

Но развитие технологий обработки поверхности, разработка композитных материалов на основе PEEK (PEEK-углерод, PEEK-керамика), а также снижение стоимости аддитивных технологий делают материал и изделия из него более доступными.

В перспективе можно ожидать более широкий спектр применения полиэфирэфиркетона для производства нейрохирургических навигационных систем, миниатюрных сенсоров и даже биоразлагаемых имплантатов [25].

Благодаря своим свойствам PEEK становится ключевым компонентом инноваций в различных областях, особенно в медицине. Ожидается, что в ближайшем будущем применение PEEK значительно расширится, охватывая сферы нейрохирургии, диагностики и восстановительной медицины.

Применение в нейрохирургии

Одним из главных направлений развития станет использование PEEK в производстве нейрохирургических навигационных систем. Современная медицина активно внедряет методы точной визуализации и планирования хирургических операций, особенно в деликатных областях, таких как мозг и центральная нервная система. Нейронавигационные системы помогают врачам точно определить расположение патологических очагов, снизить риск осложнений и обеспечить успешность операции. Свойства PEEK обеспечивают стабильность конструкции, совместимость с человеческим организмом и устойчивость к стерилизации.

Примером таких приложений являются:

• прозрачные рентгенопрозрачные маркеры для точного определения местоположения опухолей;

• навигационные рамки для стереотаксического размещения электродов;

• роботизированные платформы для автоматизации хирургического вмешательства.

Сенсорные решения на основе PEEK

Кроме того, ожидается широкое распространение миниатюрных сенсорных приборов, изготовленных из PEEK. Это связано с развитием методов биоинженерии и необходимостью постоянного контроля жизненно важных показателей человеческого тела. В связи с исключительными свойствами материала (устойчивость к воздействию среды организма, отсутствие токсичности) он идеально подходит для долгосрочного внедрения внутрь организма.

Наиболее перспективные направления

• Миниатюрные кардиостимуляторы: датчики сердечного ритма, способные непрерывно контролировать состояние сердечно-сосудистой системы.

• Биосенсоры уровня сахара крови: постоянное отслеживание концентрации глюкозы для диабетиков.

• Имплантируемые дозаторы лекарств: автоматическое введение препаратов в нужное время и нужном количестве.

Роль PEEK в создании биоразлагаемых имплантатов

Особое внимание уделяется разработке биоразлагаемых имплантатов на основе PEEK. Сегодня многие традиционные медицинские имплантаты требуют повторных оперативных вмешательств для удаления, что увеличивает риски осложнений и снижает качество жизни пациентов. Разработка биоразлагаемых конструкций позволит избежать таких сложностей.

Некоторые потенциальные продукты:

• каркасы для костной ткани: восстанавливают костные дефекты путем направленной регенерации собственных клеток пациента;

• протезы суставов: облегчают восстановление подвижности после травм и болезней опорно-двигательного аппарата;

• стенты для сосудистой сети: поддерживают кровообращение в пораженных участках сосудов и постепенно растворяются по мере восстановления естественной циркуляции.

Заключение

PEEK (полиэфирэфиркетон) представляет собой инновационный материал, который активно применяется в современной нейрохирургической практике. Его широкое применение обусловлено уникальным набором свойств, что включает в себя высокую биосовместимость, превосходные механические свойства, устойчивость к многократной стерилизации разными способами и отличную визуализацию в процессе исследования популярными системами диагностики (компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, рентгеновское исследование).

В современном мире этот полимер имеет широкий спектр применения в различных областях нейрохирургии, куда включаются реконструкция черепа (краниопластика), операции на восстановление функций позвоночника (спинальная хирургия), а также изготовление специализированного инструментария для операционных воздействий на тканях нервной системы. К примеру, имплантируемые изделия из PEEK обеспечивают минимизацию осложнений, повышение качества жизни пациентов после травм головы или позвоночника, а также надежно стабилизируют и фиксируют кости и ткани.

Дальнейшее развитие этой области медицинских имплантируемых изделий заключается в расширении знаний и навыков в методах обработки заготовок и обработке материала для снижения стоимости изделий и PEEK, что сделает их доступными и более известными в кругах нейрохирургов и медицинских учреждений данной области медицины. Таким образом, в плане внедрения изделий открываются новые горизонты для повышения эффективности применения имплантатов из PEEK в клинической практике и улучшения результатов лечения заболеваний ЦНС и опорно-двигательного аппарата тяжелой степени.