Н.Р. Эмер1, В.П. Панин2, В.В. Краснов3

1–3 ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений
(ФГБНУ ВИЛАР) (Москва, Россия)

1 emer2005s@gmail.com, 2 zip1@list.ru, 3 v.v.krasnov@mail.ru

Постановка проблемы. Современные стратегии восстановления дефектов костной ткани направлены на сохранение и усовершенствование стандартных методов ауто- и аллопластики, внедрение в практику использования биоматериалов ксеногенного происхождения и развитие междисциплинарного подхода, объединяющего новые достижения в области материаловедения и тканевой инженерии. Применяемые методические решения нацелены на создание механически- и биосовместимых трансплантатов, которые могут быть использованы при реконструкции повреждений костей скелета. Разнообразие факторов, от которых зависит успешное создание костнозамещающих конструкций, отвечающих предъявляемым требованиям, оставляет открытыми до настоящего времени вопросы дезинфекции веществ и материалов, используемых при их производстве.

Цель работы – изучение сформировавшейся методической базы и новых стратегий развития в вопросах микробиологической безопасности костнозамещающих материалов.

Результаты. Представленные в научной литературе данные о стерилизации транс- и имплантатов свидетельствуют о наличии обширного перечня методов. Наиболее распространенными и экономически обоснованными являются методы стерилизации с применением ионизирующих излучений и оксида этилена. Большое количество протоколов, адаптированных для применения к различным материалам, характерно для группы термических методов. При поиске потенциальных агентов стерилизации со щадящим воздействием на остеопластический материал разработаны методики с применением ультрафиолетового и микроволнового излучения, низкотемпературной плазмы, жидких химических сред, а также комбинированные подходы. Значительный интерес представляют методы стерилизации, включенные в цикл производства костнозамещающего материала, в частности – использование сверхкритических субстанций. Новые перспективы открывает тенденция использования наноматериалов и наноструктур с уникальными свойствами, которые обеспечивают самостерилизующий эффект, будучи включенными в биоматериал.

Практическая значимость. Успехи биоматериаловедения, развитие тканевой инженерии и создание уникальных материалов с неизученными еще свойствами актуализируют вопросы биобезопасности и комплексного решения санитарных, медицинских, инженерных и экономических проблем.

Эмер Н.Р., Панин В.П., Краснов В.В. Микробиологическая безопасность костнозамещающих материалов: методическая основа
и стратегии развития // Технологии живых систем. 2024. T. 21. № 2. С. 18-29. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700997-202402-02

1. Steijvers E., Ghei A., Xia Z. Manufacturing artificial bone allografts: a perspective // Biomaterials Translational. 2022. V. 3. № 1. P. 65–80. DOI: 10.12336/biomatertransl.2022.01.007
2. Попков А.В., Попков Д.А., Кононович Н.А. и др. Биоактивные имплантаты при лечении псевдоартрозов и дефектов длинных трубчатых костей: Монография / Под ред. А.В. Попкова. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2021. 312 с.
3. Singh R., Singh D., Singh A. Radiation sterilization of tissue allografts: A review // World Journal of Radiology. 2016. V. 8. № 4. P. 355–369. DOI: 10.4329/wjr.v8.i4.355
4. Lomas R., Chandrasekar A., Board T.N. Bone allograft in the UK: perceptions and realities // Hip. Int. 2013. V. 23. № 5. P. 427–433. DOI:10.5301/hipint.5000018
5. Воробьев К.А., Божкова С.А., Тихилов Р.М., Черный А.Ж. Современные способы обработки и стерилизации аллогенных костных тканей (обзор литературы) // Травматология и ортопедия России. 2017. Т. 23. № 3. DOI:10.21823/2311-2905-2017-23-3-134-147
6. Labutin D., Vorobyov K., Bozhkova S. et al. Human bone graft cytocompatibility with mesenchymal stromal cells is comparable after thermal sterilization and washing followed by c-irradiation: an in vitro study // Regenerative Biomaterials. 2018. P. 85–92. DOI: 10.1093/rb/rby002
7. Schnettler R., Franke J., Rimashevskiy D. et al. Allogeneic bone grafting materials – update of the current scientific status // Traumatology and orthopedics of Russia. 2017. V. 23. № 4. P. 92–100. DOI:10.21823/2311-2905-2017-23-4-92-100
8. Capella-Monsonís H., Zeugolis D.I. Decellularized xenografts in regenerative medicine: From processing to clinical application // Xenotransplantation. 2021. V. 28. Iss. 4. 27 p. https://doi.org/10.1111/xen.12683
9. Draenert G.F., Delius M. The mechanically stable steam sterilization of bone grafts // Biomaterials. 2007. V. 28. P. 1531–1538. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2006.11.029
10. Giudice R.L., Rizzo G., Centofanti A. et al. Steam sterilization of equine bone block: morphological and collagen analysis // Bio Med. Research International. 2018. Article ID 9853765. 8 p. https://doi.org/10.1155/2018/9853765
11. Патент № 2 679 121 Российская Федерация, МПК A61F 2/28 (2006.01) A61K 35/32 (2015.01) A61L 2/08 (2006.01) A61L 2/16 (2006.01) A61L 101/10 (2006.01) A01N 1/00 (2006.01), СПК A61F 2/28 (2018.08); A61K 35/32 (2018.08); A61L 2/08 (2018.08); A61L 2/16 (2018.08); A01N 1/00 (2018.08). Способ получения костного имплантата на основе стерильного деминерализованного костного матрикса: заявлено 23.11.2018: опубликовано 06.02.2019 / Ю.Ю. Литвинов, В.А. Быков, Н.И. Сидельников,
    И.В. Матвейчук, В.В. Розанов, В.В. Краснов; заявитель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений (ФГБНУ ВИЛАР). 7 с.
12. Dai Z., Ronholm J., Tian Y., Sethi B., Cao X. Sterilization techniques for biodegradable scaffolds in tissue engineering applications // Journal of Tissue Engineering. 2016. V. 7. P. 1–13. DOI: 10.1177/2041731416648810
13. Shi J., Dai W., Gupta A., Zhang B., Wu Z., Zhang Y., Pan L., Wang L. Frontiers of Hydroxyapatite Composites in Bionic Bone Tissue Engineering // Materials. 2022. V. 15. P. 8475. https://doi.org/10.3390/ ma15238475
14. Kandelousi P.S., Rabiee S.M., Jahanshahi M., Nasiri F. The effect of bioactive glass nanoparticles on polycaprolactone/chitosan scaffold: Melting enthalpy and cell viability // Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 2019. V. 34. № 1. P. 97–111. DOI: 10.1177/0883911518819109
15. Tang S., Jiang L., Jiang Z. et al. Improving the mechanical, degradation properties and biocompatibility of nano hydroxyapatite/chitosan composite scafold by the introduction of carboxylated bamboo fiber // Cellulose. 2023. V. 30. P. 1585–1597. https://doi.org/10.1007/s10570-022-05001-x
16. Santos-Rosales V., Magarinos B., Starbird R. et al. Supercritical CO2 technology for one-pot foaming and sterilization of polymeric scaffolds for bone regeneration // International Journal of Pharmaceutics. 2021. V. 605. 9 p. https://doi.org/10.1016/ j.ijpharm.2021.120801
17. Marolt D., Knezevic M., Novakovic G.V. Bone tissue engineering with human stem cells // Stem Cell Research & Therapy. 2010.
    P. 1–10. DOI: 10.1186/scrt10
18. Tsiklin I., Shabunin A.V., Kolsanov A.V., Volova L.T. In vivo bone tissue engineering strategies: advances and prospects // Polymers. 2022. V. 14. 29 p. https://doi.org/10.3390/polym14153222
19. Sladkova M., de Peppo G.M. Bioreactor systems for human bone tissue engineering // Processes. 2014. V. 2. P. 494–525. DOI: 10.3390/pr2020494
20. Розанов В.В., Матвейчук И.В. Современное состояние и перспективные инновационные направления развития способов стерилизации биоимплантатов // Альманах клинической медицины. 2019. Вып. 47. №7. С. 634–646. DOI: 10.18786/2072- 0505-2019-47-063
21. Griffin M., Naderi N., Kalaskar D.M. et al. Evaluation of sterilisation techniques for regenerative medicine scaffolds fabricated with polyurethane nonbiodegradable and bioabsorbable nanocompositematerials // International Journal of Biomaterials. 2018. Article ID 6565783. 14 p. https://doi.org/10.1155/2018/6565783
22. Yasin N.F., Singh V.A., Saad M., Omar E. Which is the best method of sterilization for recycled bone autograft in limb salvage surgery: a radiological, biomechanical and histopatological study in rabbit // BMC Cancer. 2015. V. 15. 11 p. DOI: 10.1186/s12885-015-1234-9
23. Radiation sterilization of tissue allografts: requirements for validation and routine control. A code of practice. Vienna: International Atomic Energy Agency. 2008.
24. Розанов В.В., Матвейчук И.В., Черняев А.П., Николаева Н.А. Изменения морфомеханических характеристик костных имплантатов при радиационной стерилизации // Известия РАН. Сер. физическая. 2019. Т. 83. № 10. С. 1435–1440. DOI: 10.1134/S0367676519040203
25. Лекишвили М.В., Панасюк А.Ф. Новые биопластические материалы в реконструктивной хирургии // Биоматериалы в реконструктивной хирургии. 2000. Электронный ресурс. Код доступа: https://bioimplantat.ru/articles/travmatologiya/biomaterialy-v-rekonstruktivnoy-khirurgii/
26. Islam A., Chapin K., Moore E. et al. Gamma radiation sterilization reduces the high-cycle fatigue life of allograft bone // Clinical Orthopaedics and Related Research. 2016. V. 474. P. 827–835. DOI: 10.1007/s11999-015-4589-y
27. Nguyen H., Morgan D.A.F., Forwood M.R. Sterilization of allograft bone: effects of gamma irradiation on allograft biology and biomechanics // Cell Tissue Banking. 2007. V. 8. P. 93–105. DOI:10.1007/s10561-006-9020-1
28. Harrell C.R., Djonov V., Fellabaum C., Volarevic V. Risks of using sterilization by gamma radiation: The other side of the coin // International Journal of Medical Sciences. 2018. V. 15. № 3. P. 274–279. DOI: 10.7150/ijms.22644
29. Suhardi J.V., Morgan D.F.A., Muratoglu O.K., Oral E. Radioprotection and cross-linking of allograft bone in the presence of vitamin E // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2020. P. 1–14. DOI: 10.1002/jbm.b.34569
30. Kattaya S.A., Akkus O., Slama J. Radioprotectant and radiosensitizer effects on sterility of c-irradiated bone // Clinical Orthopaedics and Related Research. 2008. V. 466. P. 1796–1803. DOI: 10.1007/s11999-008-0283-7
31. Bruyas A., Moeinzadeh S., Kim S. et al. Effect of Electron Beam Sterilization on Three-Dimensional-Printed Polycaprolactone/Beta-Tricalcium Phosphate Scaffolds for Bone Tissue Engineering // Tissue Engineering. Part A. 2019. V. 5. № 3-4. P. 248–256. DOI: 10.1089/ten.tea.2018.0130
32. Beerlage C., Wiese B., Kausch A.R., Arsenijevic M. Change in Radiation Sterilization Process from Gamma Ray to X-ray // Biomedical Instrumentation & Technology. 2021. V. 5. Suppl. 3. P. 78–84. DOI: 10.2345/0899-8205-55. s3.78
33. Sauer K., Zizak I., Forien J.-B. et al. Primary radiation damage in bone evolves via collagen destruction by photoelectrons and secondary emission self-absorption // Nature communications. 2022. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34247-z
34. Ahmed M., Punshon G., Darbyshire A., Seifalian A.M. Effects of sterilization treatments on bulk and surface properties of nanocomposite biomaterials // Journal of Biomedical Materials Research Part B. 2013. V. 101B. P. 1182–1190. DOI:10.1002/jbm.b.32928
35. Yildirimer L., Seifalian A.M. Sterilization-induced changes in surface topography of biodegradable POSS-PCLU and the cellular response of human dermal fibroblasts // Tissue Engineering Part C: Methods. 2015. V. 21. № 6. P. 614–630. DOI: 10.1089/ten.TEC.2014.0270
36. Naderi N., Griffin M., Malins E., Becer R., Mosahebi A., Whitaker I.S., Seifalian A.M. Slow chlorine releasing compounds: A viable sterilisation method for bioabsorbable nanocomposite biomaterials // Journal of Biomaterials Applications. 2016. V. 30. № 7. P. 1114–1124. DOI: 10.1177/0885328215613666
37. Singh R., Singh D. Sterilization of bone allografts by microwave and gamma radiation // International Journal of Radiation Biology. 2012. V. 88. № 9. P. 661–666. DOI: 10.3109/09553002.2012.700166
38. Chlanda A., Kijenska E., Rinoldi et al. Structure and physico-mechanical properties of low temperature plasma treated electrospun nanofibrous scaffolds examined with atomic force microscopy // Micron. 2018. V. 107. P. 79–84. DOI: 10.1016/j.micron.2018.01.012
39. Tehrani A.H., Davari P., Singh S., Oloyede A. Sterilizing tissue-materials using pulsed power plasma // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2014. V. 25. № 4. P. 953–964. DOI: 10.1007/s10856-014-5142-3
40. Pruss A., Gobel U.B., Pauli G. et al. Peracetic acid – ethanol treatment of allogenic avital bone tissue tran transplants – a relieble sterilization method // Annals of Transplantation. 2003. V. 8. № 2. P. 34–42.
41. Патент № 5,788,941 США. Method of sterilization of bone tissue: заявлено 31.01.1996: опубликовано 04.08.1998 / J.P. Dalmasso, T.J. Mielnik; заявитель Steris Corporation. 6 с.
42. Розанов В.В., Матвейчук И.В., Пантелеев И.В., Черняев А.П. Озон как эффективный компонент комбинированной технологии стерилизации костных имплантатов // Биорадикалы и антиоксиданты. 2018. Т. 5. № 3. С. 252–254.
43. Патент № 2 630 464 Российская Федерация, МПК A61L 2/08 (2006.01) A61L 2/16 (2006.01) A61L 101/10 (2006.01) A61F 2/28 (2006.01). Комбинированный способ стерилизации костных имплантатов: заявлено 29.07.2016: опубликовано 08.09.2017 / И.В. Матвейчук, В.В. Розанов, И.К. Гордонова, З.К. Никитина, Н.И. Сидельников, Ю.Ю. Литвинов, А.А. Николаева, A.П. Черняев, И.В. Пантелеев; заявитель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт Лекарственных и ароматических растений (ФГБНУ ВИЛАР). 9 с.
44. Souto-Lopes M., Grenho L., Manrique Y.A. et al. Full physicochemical and biocompatibility characterization of a supercritical CO2 sterilized nano-hydroxyapatite/chitosan biodegradable scaffold for periodontal bone regeneration // Biomaterials Advances. 2023. V. 146. 16 p. https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2023.213280
45. Uquillas J.A., Spierings J., van der Lande A. et al. An off-the-shelf decellularized and sterilized human bone-ACL-bone allograft for anterior cruciate ligament reconstruction // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2022. V. 135. 14 p. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105452
46. Bento C.S.A., Gaspar M.C., Coimbra P., de Sousa H.C., Braga M.E.M. A review of conventional and emerging technologies for hydrogels sterilization // International Journal of Pharmaceutics. 2023. V. 634. 11 p. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2023.122671
47. Перипротезная инфекция. Перспективы диагностики, особенности лечения, стратегии профилактики и их экономические издержки / Под. ред. К.-Д. Кюна; пер. с англ. Под ред. А.В. Цискарашвили, Н.В. Загороднего, Д.С. Горбатюка. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2022. 552 с.
48. Mauro N., Fiorica., Giuffrè M. et al. A self-sterilizing fluorescent nanocomposite as versatile material with broad-spectrum antibiofilm features // Materials Science and Engineering: C. 2020. V. 117. 10 p. https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111308
49. Розанов В.В., Матвейчук И.В., Черняев А.П. и др. Экспериментальное подтверждение эффективности комбинированной стерилизации костных имплантатов // Технологии живых систем. 2018. Т. 15. № 1. С. 41–48.
50. Кирилова И.А. Анатомо-функциональные свойства кости как основа создания костно-пластических материалов для травматологии и ортопедии. М.: Физматлит. 2019. 256 с.
51. Baume A.S., Boughton P.C., Coleman N.V., Ruys A.J. Sterilization of tissue scaffolds // Characterisation and Design of Tissue Scaffolds. 2016. P. 225–244. DOI: 10.1016/B978-1-78242-087-3.00010-9