CC BY
20
82 ^tl ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
Том 17, №1. 2019
УДК 616-089.819.843 Н.А. КОНОНОВИЧ
Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» имени академика Г.А. Илизарова» МЗ РФ, г. Курган
Биологическая реакция на имплантаты с биоактивным слоем и диффузия Са с их поверхности
Контактная информация:
Кононович Наталья Андреевна — кандидат ветеринарных наук, ведущий научный сотрудник экспериментальной лаборатории Адрес: 640014, г. Курган, ул. М. Ульяновой, д. 6, тел.: +7 (352) 241-52-73, e-mail: [email protected]
Цель исследования - изучить биологическую реакцию организма на имплантаты и диффузию кальция в зависимости от способа нанесения биоактивного слоя.
Материал и методы. В экспериментах in vitro и in vivo изучили кинетику высвобождения Са с поверхности им-плантатов из титанового сплава Ti6Al4V с кальций-фосфатным покрытием, нанесенным тремя разными технологиями, и реакцию организма на имплантацию.
Результаты. При высокочастотном магнетронном распылении адгезионные свойства биоактивного слоя к подложке ниже, чем при других способах его нанесения, а диффузия Са происходит в течение 21 суток. При микродуговом оксидировании и плазменном распылении высвобождение Са происходит в течение 28 суток и более 140 суток соответственно. Использование таких имплантатов не приводит к изменению функции основных систем организма. Локально происходит усиление кровообращения в результате умеренного повышения тонуса сосудов за счет диффузии Са с поверхности имплантатов.
Выводы. Диффузия кальция с поверхности титансодержащих имплантатов с кальций-фосфатным слоем зависит от технологии нанесения покрытия. Нет негативного влияния на ткани и организм в целом.
Ключевые слова: доклинические исследования, имплантат, биоактивное напыление, кальций, кровообращение.
DOI: 10.32000/2072-1757-2019-1-82-84
(Для цитирования: Кононович Н.А. Биологическая реакция на имплантаты с биоактивным слоем и диффузия Са с их поверхности. Практическая медицина. 2019. Том 17, № 1, C. 82-84)
N.A. KONONOVICH
FSBI Russian Ilizarov Center «Restorative Traumatology and Orthopaedics» of the RF Ministry of Healthcare, Kurgan, Russian Federation
Biological reaction to implants with bioactive layer and Ca diffusion from their surface
Contact details:
Kononovich NA — Cand. Vet. Sc., Leading Researcher at the Experimental Laboratory
Address: 6 M. Ulyanov St., Kurgan, Russian Federation, 640014, tel.: +7 (352) 241-52-73, e-mail: [email protected]
To study the body's biological reaction to implants and calcium diffusion depending on the method of the bioactive layer coating.
Material and methods. During the in vivo experiments in vitro, we studied Ca release kinetics from the surface of implants made of titanium alloy Ti6Al4V with calcium phosphate coating applied by three different technologies. Also, the reaction to implantation was studied.
Vol. 17, no. 1. 2019
PRACTICAL MEDICINE ^ 83
Results. In case of high frequency magnetron spray, the adhesion properties of the bioactive layer onto the template are lower than in other methods of its application. Calcium diffusion occurs during 21 days. In case of microarc oxidation and plasma spray, Ca release takes place during 28 days and over 140 days, respectively. The use of such implants does not lead to the change of the basic systems' functions. Locally, an increase of blood circulation takes place as a result of the moderate increase of the vascular tone due to Ca diffusion from the implant surface.
Conclusions. Ca diffusion from the surface of titanium containing implants with calcium phosphate layer depends on the technology of coating application. No negative effect on tissues and body on the whole was observed.
Key words: pre-clinical studies, implant, bioactive spray, calcium, blood circulation.
(For citation: Kononovich N.A. Biological reaction to implants with bioactive layer and Ca diffusion from their surface. Practical medicine. 2019. Vol. 17, no. 1, P. 82-84)
В настоящее время, как в клинической медицине, так и в ветеринарии, проблема выбора оптимальных методик лечения костной патологии не теряет своей актуальности. Перспективным является переход к персонифицированным технологиям, основанным на аддитивном производстве костнозамещающих изделий и материалов [1, 2]. Последние должны обеспечивать биосовместимость и достаточную интеграцию с костной тканью. К их числу относят изделия, изготовленные из инертных металлов, покрытых кальций-фосфатным слоем. Существуют разные способы нанесения таких покрытий на металлическую подложку [3, 4]. Несмотря на то, что в целом биологический ответ организма на кальций-фосфатные покрытия активно изучается, кинетика высвобождения остеотропных элементов и реакция тканей в зависимости от технологии нанесения биоактивного слоя недостаточно изучены [5, 6].
Цель исследования - изучить биологическую реакцию организма на имплантаты и диффузию кальция в зависимости от способа нанесения биоактивного слоя.
Материал и методы
В опытах in vitro изучали кинетику высвобождения Са с поверхности тестируемых образцов, изготовленных из титанового сплава TÍ6AI4V с кальций-фосфатным слоем, нанесенным методом высокочастотного магнетронного распыления, микродугового оксидирования и пневматического распыления (n = 12 каждого вида). Для этого их инкубировали в растворе электролита при температуре 37 °С. Через 4 недели часть образцов оценивали визуально макроскопически, а так же методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгеновского электронно-зондового микроанализа. За контроль принимали результаты, полученные с этих же образцов перед началом экспериментов. В опытах in vivo на собаках изучали общую биологическую реакцию организма и реакцию тканей на поднадкостничную имплантацию образцов с аналогичными вариантами напыления (опыт), а также в контроле без биоактивного слоя (n=5 для каждого вида). Еженедельно отмечали общее состояние, регистрировали частоту сердечных сокращений, частоту дыхательных движений, общую температуру тела и массу тела животных, а также проводили визуальную оценку мягких тканей в области имплантации. Методом фотоплетизмографии локально изучали особенности кровообращения тканей. Количественные данные подвергали статистической обработке с использованием программы
Attestat 13.1 (Россия). Содержание и уход за животными выполняли в соответствии с требованиями Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментов и других научных целей.
Результаты
Перед началом эксперимента поверхность образцов с напылением, нанесенным методом высокочастотного магнетронного распыления, была гладкой, глянцевой структуры и не имела пор (содержание Са - 10,47±0,3% вес.); при использовании микродугового оксидирования - матового серого цвета, шероховатая, пористая (Са - 6,94±0,47% вес.); при плазменном распылении - матового белого цвета, с наличием пор и шероховатой структуры (Са - 18,49±0,37% вес.).
Исследования in vitro показали, что при использовании метода высокочастотного магнетронного распыления диффузия Са с поверхности образцов происходила до 21 суток инкубации. В конце опыта наблюдали нарушение целостности биоактивного слоя, что характеризовалось наличием участков его слущивания. Выявлялись области, на которых напыление отсутствовало. Содержание Са было достоверно снижено до 1,59±1,62% вес. При микродуговом оксидировании высвобождение Са наблюдали на протяжении 4 недель инкубации. Видимых различий их поверхности в сравнении с состоянием до инкубации не обнаружили. При этом также регистрировали достоверное уменьшение содержания Са до 2,25±0,62% вес. При плазменном распылении через 4 недели инкубации поверхность образцов становилась более шероховатой, их цвет не изменялся. Наблюдали редко расположенные трещины. Определяли повышение содержания Са в среднем до 23,99±2,15% вес. Высвобождение Са продолжалось более 20 недель.
В экспериментах invivo во всех случаях объем принимаемой пищи и воды, а также масса тела собак не изменялись. Не зарегистрировано признаков развития патологии со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Наблюдаемое во всех экспериментальных группах незначительное повышение общей температуры тела в ранний послеоперационный период было связано непосредственно с оперативным вмешательством и не повлияло на результаты опыта. Через 7 суток эксперимента, независимо от метода нанесения биоактивного слоя, определили усиление притока крови к тканям в результате умеренного повышения тонуса сосудов крупного и мелкого калибра. Когда использовали имплантаты без покрытия, регистрировали по-
84 ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
Том 17, №1. 2019
нижение сосудистого тонуса. Во всех группах наблюдали затруднение венозного оттока. Это было сильнее выражено при использовании метода высокочастотного магнетронного распыления. Причиной чего была низкая адгезионная способность биоактивного слоя к титансодержащей подложке, когда происходило его отслаивание, а наличие таких свободных фрагментов покрытия в тканях способствовало затруднению венозного оттока. К 14 суткам тонус артерий у животных, которым имплантировали образцы с биослоем, сохранялся на достигнутом уровне, а в контрольной - продолжал снижаться. Венозный отток в случаях с использованием микродугового оксидирования, плазменного распыления и в контроле нормализовался. При высокочастотном магнетронном распылении происходило его улучшение, но еще сохранялось незначительное затруднение. Через 21 сутки во всех опытных группах регистрировали максимально выраженное повышение тонуса артерий (в 2 раза по отношению к норме). В контроле кровенаполнение сосудов сохранялось заметно сниженным. На данном этапе во всех группах венозный отток обеспечивался в достаточной степени и в последующем не изменялся. К окончанию эксперимента в опытных группах тонус сосудов понижался до уровня, соответствующего 14 суткам. В контроле наблюдали признаки улучшения кровообращения в тканях.
Выводы
Полученные результаты показали, что диффузия кальция с поверхности титансодержащих имплан-татов с кальций-фосфатным слоем зависит от технологии нанесения покрытия. Отсутствие патологической реакции организма на такие имплантаты, в
частности при поднадкостничном их расположении, свидетельствует о высокой степени их безопасности в плане дальнейшего клинического использования, в том числе в ветеринарной практике.
Работа выполнена под руководством и с участием профессора, д.м.н. А.В. Попкова, с участием д.б.н. М.В. Стогова, к.б.н. Е.Н. Горбач. Входит в план научных исследований в рамках программы НИР Государственного задания на 2018-2020 гг.
Кононович Н.А. - ORCID ID: 0000-0002-5990-8908
ЛИТЕРАТУРА
1. Котельников Г.П., Колсанов А.В., Николаенко А.Н. Тестирование аддитивных материалов на культурах клеток фибробластов человека // Клин. и эксперимент. хир. журн. им. акад. Б.В. Петровского. - 2018. - Т. 6 (№ 2). - С. 67-73.
2. Пичугин Ю.В., Сапожников А.В., Ермолаев В.А., Золотухин С.Н. Экспериментальное применения биокомпозитных материалов в ветеринарной травматологии // Вестн. Ульянов. гос. с.-х. академии. - 2011. - № 3. - С. 78-80.
3. Попков А.В. Возможности остеогенной активности интраме-дуллярных имплантатов в зависимости от технологии нанесения кальций-фосфатного покрытия (экспериментальное исследование) / А.В. Попков, Д.А. Попков, Н.А. Кононович, Е.Н. Горбач и др. // Успехи современного естествознания. - 2015. - № 5. -С. 142-145.
4. Назаров Е.А., Папков В.Г., Кузьманин С.А., Веснов И.Г. Изучение остеоинтеграции внутрикостных имплантатов с разными типами покрытий в условиях эксперимента // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2016. - № 2. - С. 62-67.
5. Гнеденков С.В., Шаркеев Ю.П., Синебрюхов С.Л., Хрисан-фова О.А., Легостаева Е.В., Завидная А.Г., Пузь А.В., Хлусов И.А. Функциональные покрытия для имплантационных материалов // Тихоокеанский медицинский журнал. - 2012. - № 1. — С. 12-19.
6. Yu M., Zhou K., Li Z., Zhang D. Préparation, characterization and in vitro gentamicin release of porous HA microspheres // Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. - 2014. - Vol. 45, № 1. - P. 306-312. DOI: 10.1016/j.msec.2014.08.075.
