CC BY
57
© Группа авторов, 2002
Экспериментальное исследование процессов
остеоинтеграции имплантатов для наружного чрескостного остеосинтеза с различными биокомпозиционными покрытиями
О.В. Бейдик, К.Г. Бутовский, В.Н. Лясников К.К. Левченко, А.Ю. Цыплаков
Experimental study of osteointegration processes of implants for external transosseous osteosynthesis having different biocompositional coatings
О.У. Beidick, К-G. Boutovsky, V.N. Liasnikov, К.К. Levchenko, А.У. Tsyplakov
Муниципальное медицинское учреждение «Городская больница №9» (главный врач - к.м.н. О.Н. Костин), Саратовский государственный медицинский университет (ректор - д.м.н., профессор. В.И. Горемыкин), Россия, г. Саратов
С целью изучения степени остеоинтеграции имплантатов, покрытых гидроксиапатитом, на 12 беспородных собаках было проведено экспериментальное моделирование процессов интеграции остеофиксаторов с различными вариантами биокомпозиционных плазмонапыляемых покрытий с костной тканью. Исследовали гистоморфометрическую картину в динамике. Полученные результаты исследований позволяют рекомендовать применение биокомпозиционных плазмонапыляемых многослойных покрытий, состоящих из внутреннего слоя порошкового титана и наружного слоя, состоящего из 20% титана и 80% гидроксиапатита, либо из чистого гидроксиапатита для нанесения на имплантаты с ограниченным сроком действия, применяемые в наружном чрескостном остеосинтезе.
Ключевые слова: остеоинтеграция, гидроксиапатит, наружный чрескостный остеосинтез.
Experimental modeling of the processes of integration of bone fixators having biocompositional plasma-sprayed coatings of different variants and bone tissue was made in 12 mongrel dogs for the purpose of studying the osteointegration level of hydroxyapatite-coated implants. The dynamics of histomorphometric picture was studied. The obtained results of the studies allow to recommend use of biocompositional plasma-sprayed coatings of many layers, which consisted of a titanium powder inside layer and an outside layer of 20% titanium and 80% hydroxyapatite, or of pure hydroxyapatite to apply to the implants with limited expiry period, used for external transosseous osteosynthesis. Keywords: osteointegration, hydroxyapatite, external transosseous osteosynthesis.
В современной травматологии и ортопедии остается актуальной проблема поиска материалов и технологий изготовления имплантатов, сочетающих высокие удельные механические свойства с «электрофизической интактностью» [1].
Разрушения кости на границе кость-имплантат обусловлены интеркристаллической коррозией, объединенной термином «метал-лоз» [2], а также нарушением биофизических, биохимических и электрохимических процессов в кости, определяющих формирование архитектоники костной ткани [4, [5]. Нейтрализуя эти процессы, организм стремится окружить имплантат фиброзной тканью для частичной его электроизоляции [1]. Механические нагрузки на имплантат разрушают капсулу, вследствие чего возникает его нестабильность,
расшатывание и, как следствие, развитие инфекционных осложнений [6, 7].
Перспектива решения имеющейся проблемы состоит в использовании новых аллопла-стических материалов на основе гидроксиапа-титной керамики и новых технологий изготовления имплантатов с использованием метода плазменного напыления покрытий с заданными свойствами [8]. Применение биоактивной керамики позволяет резко уменьшить число дегенеративно-дистрофических изменений вокруг имплантата и обеспечить в силу своей электрической индифферентности врастание его в костную ткань [8, 9, 10, 11, 12].
Цель исследования состояла в изучении степени интеграции имплантатов с различными вариантами плазмонапыленных покрытий.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ
Исследования остеоинтеграционных свойств покрытий фиксаторов для наружного чрескост-ного остеосинтеза проведены для шести видов имплантатов на 12 беспородных собаках обоего пола в возрасте 2-3 лет, с массой тела от 15 до 20 кг. Имплантаты представляли собой фрагменты стержней диаметром 4,4 мм и спиц диаметром 1,8 мм, длиной 1,5-2 см, применяемые для наружного чрескостного остеосинтеза, и были изготовлены из титанового сплава ВТ-16 и нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т. Имплантаты методом плазменного напыления покрывали различными видами покрытий.
1 вид покрытия - поверхность имплантата обработана абразивным порошком - корундом А1203 - для создания неровного рельефа. 2 вид покрытия - поверхность имплантата подвергали пескоструйной обработке с нанесением на нее чистого титана - для создания пористой поверхности. 3 вид покрытия - на поверхность имплантата после пескоструйной обработки наносили титановое покрытие и покрытие из смеси титана (20 %) и гидроксиапатита (80 %) -для создания остеоинтеграционных свойств.
4 вид покрытия - пескоструйная обработка поверхности, титановое покрытие, смесь титана (20 %) и гидроксиапатита (80 %), чистый гидро-ксиапатит - для усиления остеоинтеграционного эффекта и увеличения пор на поверхности.
5 вид покрытия - поверхность имплантата подвергали пескоструйной обработке с нанесением на нее чистого титана и чистого гидро-ксиапатита - для уменьшения остеоинтеграци-онного эффекта с помощью барьерного слоя корунда. 6 вид имплантатов - контрольные конструкции, выполненные из титанового сплава ВТ-16 и нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т, разрешенные к применению в медицине и наиболее широко применяемые для аппаратов внешней фиксации.
Всего 90 препаратов. Все имплантаты были изготовлены из материалов и по технологиям, разрешенным к применению в медицине министерством здравоохранения и медицинской промышленности РФ (№ 29/13 - 900 - 96), согласно ТУ - 9398 - 001 - 2069195 - 97 для стоматологических имплантатов с биопокрытием.
Все собаки были разделены на три группы по срокам выведения из эксперимента.
Методика операции. Вмешательства выполняли под внутримышечным калипсоловым наркозом, животных укладывали на операционный стол и через разрезы кожи длиной 1,5 см устанавливали имплантаты в метафизарные и диафизарные отделы костей плеча, предплечья, бедра и голени. Стержни устанавливали после предварительного формирования канала сверлом. Спицы проводили с помощью дрели. После этого рану зашивали. Иммобилизацию не производили. Животных выводили из эксперимента на 7, 15 и 45 сутки с момента операции быстрым внутривенным введением летальных доз 10% раствора тиопентала натрия.
Плечевые кости, кости предплечья, бедра и голени вычленяли из смежных суставов. После удаления кожи препараты исследовали визуально. Затем удаляли мягкие ткани и участки кости длиной 3 см, включающие зону имплантации, выпиливали и фиксировали в 10 % растворе нейтрального формалина, декальцинировали в 15% азотной кислоте, обезвоживали и обезжиривали в батарее спиртов возрастающей крепости и заливали в 10% целлоидин с предварительной пропиткой 2% и 5% целлоидином. Из сделанных блоков готовили микропрепараты толщиной 10 мкм, которые окрашивали гематоксилином-эозином и пикрофук-сином по Ван Гизону с последующим обзорным гистологическим исследованием по общепринятым критериям. С целью максимальной объективизации результатов исследования было проведено сравнительное морфометрическое изучение микропрепаратов с использованием окулярной измерительной сетки [13]. При этом учитывались следующие параметры, характеризующие структурные изменения тканей в зоне имплантации: объемная плотность кости (объем трабекулярной кости в виде процентного отношения к другим видам ткани), активная остеобластная поверхность как соотношение протяженности трабекул, занятых активными остеобластами, к общей протяженности трабекулярной поверхности в процентах [14, 15] относительная площадь, занимаемая волокнистой соединительной тканью (фиброзной и остеогенной). Полученные данные подвергались статистической обработке с использованием критериев Стьюдента.
Исследования проводили на кафедрах патологической анатомии и оперативной хирургии и топографической анатомии СГМУ.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В течение первых 2-3 дней после установки имплантатов все собаки были вялыми, отказывались от пищи и почти не передвигались по клетке. На 4-5 день после операции в состоянии животных отмечалось значительное улучшение, и к
концу первых 7 дней оно было удовлетворительным, таким же, как и до операции - собаки были подвижны. Раны мягких тканей у большинства животных зажили первичным натяжением.
При исследовании препаратов на 7 сутки с
момента операции во всех сериях экспериментов отмечали, что надкостница, мышцы и кость, окружающие имплантаты, были гиперемированы, отечны, в некоторых случаях определялась бесструктурная ткань серовато-желтого цвета. На 14 сутки с момента операции во всех сериях эксперимента констатировали обычную окраску надкостницы, мышц и кости и отсутствие визуальных изменений. Вокруг имплантатов - начальные признаки формирования капсулы. На 45 день с момента операции ткани, окружающие имплантаты, также имели обычную окраску без визуальных изменений. Вокруг фиксаторов образовалась тонкая фиброзная капсула, соединенная с надкостницей, без признаков воспаления. Во все сроки наблюдения стержни плотно удерживались в кости при попытке их смещения.
Результаты гистоморфометрического исследования
костной ткани в зоне имплантации. 1 серия экспериментов (пескоструйная обработка корундовым песком)
Через 7 суток после операции на границе с имплантатом определяются обломанные некро-тизированные костные балки, между которыми разрастается молодая грануляционная ткань, содержащая глыбки металла и клетки миелоид-ного ряда (рис. 1). Признаки перестройки костной ткани, включающие ее резорбцию и новообразование, выявляются в части сохранивших свою жизнеспособность трабекул. Причем резорбция костных балок, расположенных вблизи имплантата, протекает по типу лакунарного рассасывания, о чем свидетельствует присутствие на их поверхности мелких зазубрин (лакун), небольшая часть которых содержит остеокласты. В компактном слое кости, расположенном в некотором отдалении от места повреждения, имеются признаки пазушного рассасывания в виде расширения гаверсовых каналов и наличия гомогенных пикринофильных масс - растворившегося костного вещества (рис. 2). В части костных балок определяются единичные линии склеивания и располагающиеся по поверхности цепочки остеобластов, округлая форма которых и базофильная цитоплазма свидетельствуют об их активности. В ряде гаверсовых каналов разрастается клеточно-волокнистая ткань. Периост утолщен за счет пролиферации его клеточных элементов. Капилляры умеренно полнокровны, имеются очаговые кровоизлияния.
14 сутки с момента операции остатки некро-тизированной ткани на границе с имплантатом выявляются лишь в половине случаев. В этой же зоне появились новообразованные костные ба-лочки, ориентированные в основном перпендикулярно оси имплантата. Эндост пролиферирует с образованием фиброзной ткани, разрастания которой определяются как вблизи имплантата, так и в отдалении от него. Межбалочные про-
странства заполнены миелоидным костным мозгом, в котором имеются небольшие кровоизлияния и расширенные полнокровные сосуды. Периост значительно утолщен за счет пролиферации остеогенных клеток его внутреннего слоя, среди которых располагаются базофильные новообразованные структуры. Металлоз выражен незначительно и выявляется в большинстве случаев в межбалочных пространствах губчатого слоя костной ткани, граничащей с имплантатом.
Рис. 1. Микрофото. Зона имплантации животных 1 серии через 7 суток после операции: а - обломанные некротизированные истонченные костные балки; б -разрастания грануляционной ткани; в - глыбки металла. Окраска гематоксилином и эозином. Ув: об. 16, ок. 10.
Рис. 2. Микрофото. Зона имплантации животных 1 серии через 7 суток после операции: а - компактный слой кости; б - расширенные гаверсовые каналы; в -утолщенный периост. Окраска гематоксилином и эозином. Ув: об. 10, ок. 10.
Через 45 суток после операции на границе с имплантатом образовался слой фиброзной ткани, состоящей из толстых пучков коллагеновых волокон, расположенных в основном паралл-лельно оси стержня. Эта соединительнотканная оболочка, выстилающая костное ложе имплан-тата, препятствует его контакту с окружающими костными балочками. Последние, по сравнению с более ранними сроками наблюдения, утолщены, содержат большое количество остеоцитов. Значительная часть костных трабекул имеет четко контурирующиеся базофильные линии
склеивания, зубчатость части которых свидетельствует о резорбции костной ткани, предшествовавшей ее образованию. На отдельных участках периостальной зоны происходит утолщение компактного слоя кости за счет уменьшения его спонгизации. Как видно из данных, представленных в таблице 1, объемная плотность кости увеличилась по сравнению с предыдущим сроком наблюдения (р<0,001).
2 серия экспериментов (пескоструйная обработка с напылением чистого титана (Л)).
Через 7 суток с момента операции на границе с местом повреждения видны некротизиро-ванные обломки костных балок. Выявляются признаки металлоза в виде глыбок темного цвета неправильной формы, неравномерно распределяющихся по краю пограничной зоны. Эндост пролиферирует с образованием фиброретику-лярной ткани, частично заполняющей межбалочные пространства и сосудистые каналы. Периост утолщен за счет разрастания клеточных элементов его фиброзного слоя. Признаки перестройки костной ткани аналогичны таковым у животных 1 серии. Обращает на себя внимание более выраженное полнокровие капилляров, а также большие размеры и распространенность кровоизлияний.
Через 14 суток после операции происходит частичное очищение зоны имплантации от некротических тканей, небольшое количество которых вместе с частицами металла определяется лишь в местах непосредственного контакта стержня с воспринимающим костным ложем. Межбалочные пространства и сосудистые каналы частично заполнены клеточно-волокнистой тканью, местами созревающей в фиброзную. Имеются небольшие участки разрастаний остео-генной ткани, в которой формируются интенсивно окрашивающиеся гематоксилином молодые костные балочки. Последние, как и в 1 серии, ориентированы перпендикулярно оси стержня.
Периост утолщен за счет пролиферации его наружного фиброзного слоя. Сравнительный анализ результатов морфометрического исследования препаратов двух серий установил, что при одинаковой объемной плотности кости (р>05) у животных 2 серии имеется значительное увеличение активной остеобластной поверхности (р<0,05) с одновременным уменьшением площади, занимаемой фиброзной тканью (р<0,001), представленной в таблице 2. Это может быть результатом оптимизации у них процессов остеогенеза на границе с имплантатом.
Таблица 1.
Динамика морфометрических структурных параметров костной ткани (в %) в зоне имплантации (М±ш; во всех сериях n=5)
Параметры
Объемная плотность Активная остеобластная
Серии кости поверхность
Сроки послеоперационного наблюдения
14 суток 45 суток 14 суток 45 суток
22,21±0,94 25,31±1,01 8,7±0,54 0,71±0,37
1-ая p<0,001 p<0,001
Р>0,1 p<0,01 p>0,1 p>0,5
1-6 1-6 1-6 1-6
21,89±1,26 27,20±1,26 9,98±0,74 2,71±0,28
2-ая p<0,001 p<0,001
p>0,5 p<0,05 p<0,05 p<0,001
1-2 1-2 1-2 1-2
32,46±1,76 35,07±0,47 17,74±0,76 7,34 ± 0,32
3-ая Р<0,1 p<0,001
p<0,001 p<0,001 p<0,001 p<0,001
3-4 3-4 3-4 3-4
45,47±2,52 61,92±0,64 21,95±1,02 23,03±0,64
4-ая p<0,001 p>0,1
p<0,001 p<0,001 p<0,001 p<0,001
4-5 4-5 4-5 4-5
39,42±1,22 51,30±1,23 18,85±0,83 18,96±1,23
5-ая p<0,001 p>0,5
p<0,001 p<0,001 p<0,001 p<0,001
5-6 5-6 5-6 5-6
22,63±1,72 25,04±0,78 7,89±0,64 0,77±0,78
6-ая p>0,2 p<0,001
p>0,1 p>0,1 p>0,1 p>0,1
6-1 6-1 6-1 6-1
Таблица 2.
Гистоморфометрическая характеристика относительной площади (в %) волокнистой соединительной ткани в зоне имплантации (М±ш; во всех сериях n=5)
Вид ткани
Серии Фиброзная Остеогенная
Сроки послеоперационного наблюдения
14 суток 45 суток 14 суток 45 суток
24,6±0,81 29,0±1,51 21,60±1,32 20,74±1,75
1-ая p<0,05 p>0.2
p<0,001 p<0.001 p<0.05 p<0.02
1-6 1-6 1-6 1-6
21,29±1,45 23,56±0,93 19,25±0,77 20,64±0,59
2-ая p<0,05 p<0.05
p<0,001 p<0.001 p<0.05 p>0.5
2-1 2-1 2-1 2-1
8,53±0,73 3,91±0,35 23,01±1,38 23,41±0,96
3-ая p<0,001 p>0.5
p<0,001 p<0.05 p<0.001 p<0.05
3-4 3-4 3-4 3-4
2,38±0,31 2,91±0,24 33,58±1,54 25,34±0,94
4-ая p>0,1 p<0.001
p<0,001 p<0.02 p<0.001 p<0.01
4-5 4-5 4-5 4-5
5,68±0,53 3,60±0,29 30,09±1,32 23,74±0,84
5-ая p<0,001 p<0.001
p<0,001 p<0.001 p<0.001 p<0.001
5-6 5-6 5-6 5-6
34,57±1,79 37,85±1,76 19,45±0,76 16,27±0,48
6-ая p<0,001 p<0.01
p<0,001 p<0.001 p<0.05 p<0.01
6-1 6-1 6-1 6-1
Через 45 суток после операции по границе с металлическим стержнем формируется слой грубоволокнистой фиброзной ткани. При этом, в отличие от 1 серии, в эту зону на отдельных участках врастают молодые костные балочки сетчато-волокнистого строения с многочисленными остеоцитами. В части зрелых трабекул выражены процессы перестройки костной ткани, о чем свидетельствуют наличие как зубчатых резорбционных, так и ровных аппозиционных линий склеивания. Местами идет образование пластинчатой кости с расширенными гавер-совыми каналами.
Определяются зоны пролиферации эндоста с формированием клеточно-волокнистой ткани. Имеет место умеренно выраженное полнокровие сосудов. Периост утолщен, его фиброзный и камбиальные слои пролиферируют с образованием новой костной ткани, окрашивающейся гематоксилином в интенсивный фиолетовый цвет. Активность процесса репаративной регенерации костной ткани выше, чем в препаратах 1 серии, что подтверждается не только большей объемной плотностью костной ткани (р<0,05), но и большей величиной активной остеобласт-ной поверхности (р<0,001). Площадь, занимаемая фиброзной тканью, снизилась по сравнению с животными 1 серии (р<0,001), что указывает на протекание процесса созидания костной ткани при использовании данного имплантата.
3 серия экспериментов (пескоструйная обработка с напылением чистого титана (Т), а затем смесью титана 20 % (Т) и гидроксиапатита 80 % (ГА)).
Через 7 суток с момента операции в зоне имплантации объем некротизированных костных балочек значительно больше, чем в 1 и 2 сериях. Рассасывание костной ткани идет без участия остеокластов. Ближайшие к зоне имплантации межбалочные пространства заполнены бесструктурными эозинофильными массами, очагами лейкоцитарной инфильтрации с примесью клеток миелоидного ряда.
Через 14 суток после операции некротические массы в зоне имплантации практически отсутствуют. Здесь идет процесс образования костных балочек. Цепочки активных остеобластов, выявляющиеся на поверхности многих трабекул, свидетельствуют об интенсивности этого процесса. Участки новообразованных балок чередуются с очаговыми разрастаниями остеогенной клеточно-волокнистой ткани с замурованными в ней частицами металла. Имеет место умеренно выраженная пролиферация эн-доста, в клеточном составе которого преобладают ретикулярные клетки. Определяется интенсивная пролиферация периоста за счет увеличения объема его камбиального слоя, в котором идет процесс формирования костных бало-чек. Сравнительный гистоморфометрический
анализ выявил большую объемную плотность кости (р<0,001) и меньшую площадь, занимаемую фиброзной тканью (р<0,001), по сравнению с предыдущими группами наблюдения.
Через 45 суток с момента операции в зоне имплантации выявляется процесс созревания костной ткани. Сформированные здесь костные балочки имеют более зрелое строение по сравнению с предыдущим сроком исследования. В большинстве своем они располагаются параллельно длине имплантата, как бы обрастая его со всех сторон. В зрелых костных балочках выражены признаки перестройки, о чем свидетельствует наличие как ровных аппозиционных, так и зубчатых резорбционных линий склеивания. По периферии зоны имплантации определяются обширные поля зрелой компактной кости, также имеющей признаки перестройки. Как видно из данных, представленных в таблицах 7 и 8, все параметры созданной костной ткани (объемная плотность кости, активная остеобластная активность и площадь, занимаемая остеогенной тканью), значительно выше, чем у животных вышеописанных серий.
4 серия экспериментов (пескоструйная обработка с напылением чистого титана (Т^, затем смесью титана 20 % (Т^ и гидроксиапатита 80 % (ГА), и чистым гидроксиапатитом (ГА)).
Через 7 суток с момента операции, как и в предыдущих сериях, по границе костной ткани и имплантата лежат обломанные, некротизиро-ванные костные балочки, между которыми разрастается грануляционная ткань. Встречаются мелкие глыбки металла. Эндост в состоянии выраженной пролиферации с преобладанием фибро-ретикулярной стромы костного мозга. По периферии компактная костная ткань не изменена. Периост гиперемирован и утолщен.
Через 14 суток с момента операции по границе с имплантатом выявляются обширные поля остеогенной, клеточно-волокнистой ткани с формирующимися в ней костными балочками, имеющими различную степень зрелости (рис. 3). Выявляется тенденция к продольной, по отношению оси стержня, ориентации части трабекул. По самому краю препарата, среди разрастаний клеточно-волокнистой ткани, видны мелкие частицы металла. Значительная часть трабекулярной поверхности занята активными остеобластами. Эндост пролиферирует с преобладанием ретикулярно-фибробластной формации. Периост также с явлениями пролиферации с образованием базофильных костных балочек. Сравнительный морфометрический анализ установил, что все параметры формирования костной ткани у животных данной группы выше, чем у всех остальных, что доказывает наличие оптимальных условий для восстановления морфологического гомеостаза, нарушенного операционной травмой.
Рис. 3. Микрофото. Зона имплантации животных 4 серии через 14 суток после операции: а - остеогенная ткань; б - формирующиеся костные балочки._Окраска гематоксилином и эозином. Ув: об. 16, ок. 10.
Через 45 суток после операции процесс созревания костной ткани в зоне имплантации продолжается. На границе со стержнем сформировалась сеть преимущественно зрелых костных балочек (рис. 4), ориентированных вдоль стержня и обрастающих его со всех сторон. Это, очевидно, обеспечивает имплантату прочную фиксацию, что подтверждается наличием свежих кровоизлияний, образовавшихся при его извлечении. Величины всех структурных параметров как новообразованной, так и зрелой кости, значительно выше, чем в других группах сравнения. Эндост и периост пролиферируют с образованием молодых костных балочек. Вышеописанные морфологическая и гистоморфо-метрическая картины свидетельствуют о наличии, по сравнению с остальными, взаимодействия данного вида имплантата с воспринимающей его костью.
Рис. 4. Микрофото. Зона имплантации животных 4 серии через 45 суток после операции: а - сеть новообразованных костных балочек, ориетированных продольно. Окраска гематоксилином и эозином. Ув: об. 10, ок. 10.
5 серия экспериментов (пескоструйная обработка с напылением чистого титана, затем-гидроксиапатита (ГА)).
Через 7 суток с момента операции морфологическая картина аналогична таковой из 4 се-
рии. Между обломками костных балок разрастается грануляционная ткань, содержащая мелкие частицы металла и очаги миелоидного костного мозга с примесью жирового. Выявляются признаки резорбции костных трабекул с образованием на их поверхности лакун, содержащих единичные остеокласты. Пролиферация эндоста выражена незначительно. Встречаются очаговые скопления лейкоцитов.
Через 14 суток с момента операции так же, как и в препаратах 4 серии, на границе с им-плантатом имеются разрастания остеогенной клеточно-волокнистой ткани, среди которой формируются костные балочки с большим количеством беспорядочно расположенных остео-цитов. Металлоз более выражен, чем в предыдущей серии; частицы металла выявляются как в центре, так и по периферии зоны имплантации. Пластинчатая костная ткань трабекул с аналогичными выше описанным признаками перестройки чередуется с участками клеточно-волокнистой ткани, которая на значительном протяжении имеет остеогенный характер. При этом показатели объемной плотности костной ткани и активной остеобластной поверхности в зоне имплантации значительно ниже, чем у животных 4 серии (р<0,001 и р<0,001 соответственно), но больше, чем у животных 3 серии (р<0,001). Убыль костного вещества сопровождается увеличением площади, занимаемой фиброзной тканью (р<0,001), что является следствием усиления резорбции костной ткани с одновременным снижением темпов ее формирования.
Через 45 суток после операции, как и в 4 серии, в пограничной с имплантатом зоне сформировалась костная ткань губчатого строения, трабекулы которой в большинстве своем ориентированны параллельно оси стержня. Однако кровоизлияния отсутствуют, а частиц металла больше, чем у животных предыдущей серии. Среди полей зрелой пластинчатой кости, объемная плотность которой меньше, по сравнению с препаратами 4 серии (р<0,001), определяются участки фиброзной ткани. Площадь, занимаемая этими участками, по-прежнему больше, чем в предыдущей серии (р<0,001). Все это, с учетом результатов исследования препаратов предыдущего срока наблюдения, позволяет нам сделать заключение о меньших остеоинтеграционных возможностях данного вида имплантата.
6 серия экспериментов (имплантат без пескоструйной обработки и без покрытия).
Через 7 суток с момента операции на границе поврежденной кости с имплантатом имеется картина, сходная с предыдущими сериями. Однако резорбция костных балочек распространяется на большую глубину. Компактная костная ткань с расширенными гаверсовыми каналами сохранена только в виде узкой полосы. Значи-
тельный объем занимают очаги некроза, кровоизлияния, полнокровные сосуды и круглокле-точные инфильтраты, свидетельствующие о наибольшей степени выраженности воспаления по сравнению с другими сериями. Рассасывание костной ткани происходит по типу лакунарного с наличием небольшого количества остеокластов. Металлоз выявляется в основном в перио-стальной зоне.
Через 14 суток с момента операции динамика гистологических изменений, по сравнению с предыдущим сроком, незначительна. Продолжается резорбция костных балок, которые истончены и атрофичны. Большую площадь занимают разрастания фиброзной ткани (рис. 5). Значительная убыль костной ткани подтверждается результатами морфометрического исследования объемной плотности кости, показатели которой вдвое ниже, чем у животных 4 и 5 серий, но не выше, чем в 1 серии наблюдения (р>0,1). Увеличение интенсивности резорбции костной ткани сопровождается снижением скорости ее новообразования. Об этом можно судить по динамике показателей параметров созидания костной ткани, которые значительно меньше, чем у животных всех остальных серий (р<0,001). Большую площадь занимают скопления клеток миелоидного ряда. Местами выявляется усиленное эндостальное костеобразование.
Рис. 5. Мирофото. Зона имплантации животных 6 серии через 14 суток после операции: а -истонченные костные балки; б - разрастания фиброзной ткани. Окраска гематоксилином и эозином. Ув: об. 10, ок. 10.
Через 45 суток после операции на границе с имплантатом разрастается фиброзная ткань, среди которой располагаются небольшие участки остеогенной ткани (рис. 6). Частицы металла по-прежнему сохраняются в периостальной зоне. Межбалочные пространства на значительном протяжении заполнены фиброретикулярной тканью. Определяются признаки пролиферации периоста с новообразованием костных балок. Микроскопическая картина этих препаратов схожа с таковой из 1 серии, что подтверждается отсутствием различий между показателями объ-
емной плотности кости (р>0,1) и активной ос-теобластной поверхности (р>0,1). Однако увеличение площади, занимаемой фиброзной тканью (р<0,001), с одновременным уменьшением площади остеогенной ткани (р<0,01) доказывает, что для адаптационной перестройки костной ткани при использовании данного вида конструкции имеются менее благоприятные условия.
Рис. 6. Мирофото. Зона имплантации животных 6 серии через 45 суток после операции: а -разрастания фиброзной ткани; б - участки остеогенной ткани; в - рассасывающиеся костные балки. Окраска гематоксилином и эозином. Ув: об. 16, ок. 10.
В результате проведенного гистоморфомет-рического исследования установлено, что имплантация металлических конструкций в кости экспериментальных животных вызывает в них ответную компенсаторно-восстановительную реакцию. Последняя протекает по общеизвестным законам восстановления нарушенной динамической системы морфологического гомео-стаза костной ткани, включающей в себя два взаимосвязанных процесса - резорбцию и репа-ративную регенерацию. В течение этих процессов у животных как опытных, так и контрольных серий имеются количественные и качественные различия, которые в значительной степени связаны со способом обработки импланта-тов и проявляются в основном на 14 сутки после операции.
В ранние сроки (через 7 суток) у животных всех серий имеются изменения, характерные для травмы костной ткани оперативным вмешательством - установкой имплантатов. Обломки частично некротизированных костных балок без признаков рассасывания окружены скоплениями неизмененных эритроцитов, молодой грануляционной тканью и миелоидным костным мозгом, в котором фиброретикулярная строма замещает клеточные элементы кроветворной ткани. Сосуды расширены и гиперемированы, эн-дост и периост в состоянии пролиферации.
На 14 сутки наблюдения в зоне имплантации всех видов конструкций разрастается клеточно-волокнистая ткань, частично дифференцирую-
щаяся в остеогенную с последующим формированием примитивных слабо извествленных костных балочек. При использовании импланта-тов, покрытых гидроксиапатитной керамикой (опытные серии), показатели всех параметров формирования костной ткани (объемная плотность, активная остеобластная поверхность, площадь, занимаемая остеогенной тканью) значительно выше, чем у животных контрольных серий (без покрытия). При этом наибольшая величина данных показателей имеет место в препаратах животных 4 серии, которым имплантировали конструкцию с двойным гидро-ксиапатитным покрытием. В препаратах контрольных серий процесс остеогенной дифференциации формирующейся клеточно-волокнистой ткани значительно ослаблен, о чем свидетельствует появление в зоне имплантации участков фиброзной ткани, которая не только разрастается на границе с имплантатом, но и местами замещает резорбцирующуюся кость. Причем минимальная величина показателей формирования, коррелирующая с максимальной площадью, занимаемой фиброзной тканью, выявляется в препаратах животных, которым имплантировали конструкции без какого-либо покрытия.
На 45 сутки у животных контрольных серий на границе с имплантатом образовался слой грубоволокнистой соединительной ткани, со-
стоящей из толстых пучков коллагановых волокон. Площадь, занимаемая фиброзной тканью, значительно увеличилась по сравнению с предыдущим сроком (р<0,05), что коррелирует с уменьшением величины показателя активной остеобластной поверхности (р<0,001) и свидетельствует о снижении степени выраженности процесса костеобразования.
На отдельных участках формируется пластинчатая кость с расширенными гаверсовыми каналами, заполненными фиброретикулярной тканью. Между этими участками наблюдается разрастание эндоста с формированием неостео-генной клеточно-волокнистой ткани. При использовании имплантатов с титановым напылением, образующим пористую поверхность, в зону фиброза местами врастают новообразованные костные балочки, ориентированные в основном по оси стержня. Это позволяет говорить о наличии некоторого остеоинтеграционного эффекта, обусловленного неровным рельефом поверхности имплантата.
В препаратах опытных групп вокруг им-плантата формируется сеть костных балочек, ориентированных параллельно его длине. В периферических зонах на большом протяжении располагается зрелая пластинчатая кость, которая вместе с новообразованными костными тра-бекулами занимает значительно больший объем, чем в препаратах контрольных серий.
ВЫВОДЫ
Сравнительный морфометрический анализ подтвердил сделанное ранее заключение о том, что наиболее совершенно процесс репаративной регенерации протекает при использовании им-плантатов с двойным покрытием титаном и гид-роксиапатитом (4 серия). При применении им-плантатов, покрытых смесью титана (20%) и гидроксиапатита (80%) (3 серия) и послойно нанесенными титаном и гидроксиапатитом (5 серия), выявлена корреляционная связь между снижением показателей прироста костной ткани и увеличением площади, занимаемой фиброзной тканью по сравнению с препаратами 4 серии (р<0,001, р<0,05 и р<0,001, р<0,02 соответст-
венно). Это указывает на меньший остеоинте-грационный эффект за счет меньшей доли гид-роксиапатита и увеличенной плотности покрытия, ограничивающих глубину прорастания костной ткани.
Полученные результаты исследований позволяют рекомендовать применение биокомпозиционных плазмонапыляемых многослойных покрытий, состоящих из внутреннего слоя порошкового титана и наружного слоя, состоящего из 20% титана и 80% гидроксиапатита, либо из чистого гидроксиапатита для нанесения на имплантаты с ограниченным сроком действия, применяемые в НЧО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глазков В.И. Наш опыт получения и использования титановых имплантатов с керамическим покрытием для металлоостеосин-теза // Медицинская биомеханика: Тез докл. международ. конф. «Достижения биомеханики в медицине». - Рига, 1986. - Т. 4. -С. 466.
2. Hinsencamp M. et al. Corrosion of implants during electric stimulation if fracture healing. // I electic stimulation of bone growth and repair / Ed F.Bury. - Berlin: Springer, 1978. - P.77-83.
3. Ciezynski T. Achievements and Discrepancies in Understanding Bone Electric Phenomena // Electric Stimulation of Bone Growth and Repair. - Berlin: Springer, 1978. - P. 25-27.
4. Steinemann S.G. Characteristics of an Ideal Implant Materials for stable Fixation // Current Concepts of Internal Fixation of Fractures / Ed. H.K. Uhthoff. - Berlin-Heidelberg - New York: Springer, 1980. - P. 93-99.
5. Wollast R. et al. Physicochemical Effect of an Electric Potential on Bone Growth and Repair / Ed. F. Burny. - Berlin; Springer, 1978. -P.29-33.
6. Мюллер М.Е. и др. Руководство по внутреннему остеосинтезу / М.Е. Мюллер, Алльговер, Р. Шнейдер, Х. Виллигер. - М., 1996. - 750с.
7. External fixation. General principies of patient management / K. Searles, S. Heichel, P. Neimuth, F.Behrens // Crit. Care Q. - 1983. -Vol. 6. - P.45-54.
8. Лясников В.Н., Корчагин А.В., Таушев А.А. Оценка качества плазмонапыленных биопокрытий на имплантатах с помощью регрессионного моделирования // Тез. докл. 4-й международ. конф. "Современные проблемы имплантологии". - Саратов, 1998. - С. 97-100.
9. Гудушаури О.Н. О материалах для замещения дефекта костей и соединения костей // Ортопед., травматол. - 1978. - № 6. - С. 1-6.
10. Коллапан и гидроксиапатитная биокерамика - новый вид аллопластических материалов в травматологии и ортопедии / Г.Н. Берченко, В.Н. Бурдыгин, З.И. Уразгильдеев и др. // Тез. докл. VI съезда травматол. и ортопед. России. - Нижний Новгород, 1997. - С. 366.
11. Карлов А.В., Клименов В.А., Карлова О.С. Технологические и клинические основы диэлектрического остеосинтеза при применении титановых спиц с керамическим покрытием в аппаратах внешней фиксации // Метод Илизарова - достижения и перспективы: Докл. международ. конф., посвящ. памяти акад. Г.А. Илизарова. - Курган, 1993. - С. 409-411.
12. Лычковский Э.И., Лычковский Э.И. Перспективы развития имплантационных металлических изделий // Тез. докл. 4-й международ. конф. "Современные проблемы имплантологии". - Саратов, 1998. - С. 78-79.
13. Автандилов Г.Г. Проблемы патогенеза и патологоанатомической диагностики болезней в аспектах морфометрии. - М.: Медицина, 1984. - 284с.
14. Ревелл П.А. Патология кости. - М.: Медицина, 1993. - 367с.
15. Франке Ю, Рунге Г. Остеопороз. - М.: Медицина, 1995. - 299с.
Рукопись поступила 27.04.02.
