CC BY
27
использование биодеградируемой матрицы из поликапролактона для заживления костных дефектов (экспериментальное исследование)
РЕЗЮМЕ
Попков А.В. 1, Горбач Е.Н. 1, Кононович Н.А. 1, Твердохлебов С.И. 2, Больбасов Е.Н. 2, Попков Д.А. 1, Горбач Е.С. 1
1 ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика
Г.А. Илизарова» Минздрава России (640014, г. Курган, ул. М. Ульяновой, 6, Россия)
2 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (634050, г. Томск, просп. Ленина, 30, Россия)
Автор, ответственный за переписку: Елена Николаевна Горбач,
e-mail: [email protected]
Обоснование. При замещении дефектов костной ткани остаются нерешёнными вопросы, связанные с осложнениями, травматичностью и длительностью лечения. Применение эластичных имплантатов из биоактивных биоразлагаемых материалов, принимающих любую форму дефекта, могли бы закрыть многие из них.
Цель исследования. Изучить особенностирепаративнойрегенерации при заполнении костных дефектов эластичным деградируемым имплантатом из поликапролактона (PCL) без и с добавлением в его состав гидроксиапа-тита (HA).
Материалы и методы. Взрослым беспородным собакам (n = 10) в верхней трети диафиза большеберцовой кости моделировали несквозное цилиндрическое отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10 мм. В двух экспериментальных группах дефект заполняли эластичным деградируемым имплантатом из поликапролактона: в группе 1 (n = 5) - без добавления в его состав HA, в группе 2 - с добавлением HA (n = 5). Исследования выполняли с использованием рентгенологического и гистологического методов. Результаты. Через 28 суток во всех экспериментальных наблюдениях имплантат биодеградировал и замещался костной тканью. Доля костного компонента в области дефекта в проекции компактной пластинки и в проекции костномозгового канала в группе 2 была статистически значимо больше, чем в группе 1. Содержание Са в костной ткани в периостальной, эндостальной, интермедиарной областях регенерата и в компактной пластинке костных отломков было статистически значимо выше в группе 2. Численная плотность микрососудов в регенерате в проекции компактной пластинки в группе 2 была на 13,25 % больше, чем в группе 1. Заключение. Эластичные имплантаты, изготовленные из поликапролактона методом электроспиннинга, обладают биологической совместимостью, биодеградируемы и могут быть использованы для замещения дефектов костной ткани. Гидроксиапатитовое наполнение стимулирует активность остеогенеза.
Ключевые слова: дефекты кости, поликапролактон, гидроксиапатит, регенеративная медицина, остеоиндукция, остеокондукция, биодеградация, репаративный остеогенез
Статья получена: 15.03.2022 Статья принята: 09.06.2022 Статья опубликована: 06.09.2022
для цитирования: Попков А.В., Горбач Е.Н., Кононович Н.А., Твердохлебов С.И., Больбасов Е.Н., Попков Д.А., Горбач Е.С. Использование биодеградируемой матрицы из поликапролактона для заживления костных дефектов (экспериментальное исследование). Acta biomedica scientifica. 2022; 7(4): 201-211. doi: 10.29413/ABS.2022-7.4.23
use of biodegradable polycaprolactone matrix for filling bone defects (experimental study)
ABSTRACT
Background. There are unresolved issues in bone defect management associated with complications, invasiveness and long duration of treatment. The use of elastic implants made of bioactive biodegradable materials that take any form of defect could close many of them.
The aim. To investigate features of reparative regeneration in filling bone defects with an elastic degradable implant made of polycaprolactone (PCL) with and without hydroxyapatite (HA).
Materials and methods. The study was carried out on 10 adult mongrel dogs. A non-through cylindrical hole, 4 mm in diameter and 10 mm deep, was modeled
1 National Ilizarov Medical Research in the upper third of the diaphysis of the tibia. The defects thus formed were filled Centre for Traumatology and with an elastic degradable implant made of polycaprolactone. In Group 1, HA Ortopaedics (M. Ulyanovoy str. 6, was not added to polycaprolactone, while HA was added in dogs of Group 2. RadioKurgan 640014, Russian Federation) graphic and histological methods were used to study the results.
2 National Research Tomsk Polytechnic Results. It was found that the tested materials did not cause toxic and allergic reac-University (Lenina ave. 30, Tomsk tions, both local and general, during intravital observations and in post-mortem 634050, Russian Federation) anatomical preparations. After 28 days in both series, the implant biodegraded
and was replaced by bone tissue. The proportion of the bone component and the numerical density of microvessels in the defect zone in Group 2 were significantly higher than in Group 1.
Conclusion. Elastic implants produced of polycaprolactone by electrospinning Corresponding author: are biologically compatible, biodegradable and can be used to heal bone defects.
Elena N. Gorbach, Hydroxyapatite that was added stimulates the activity of osteogenesis.
e-mail: [email protected]
Key words: bone defect, polycaprolactone, hydroxyapatite, regenerative medicine, osteoinduction, osteoconduction, biodegradation, reparative osteogenesis
Popkov A.V. 1, Gorbach E.N. 1, Kononovich N.A. 1, Tverdokhlebov S.I. 2, Bolbasov E.N. 2, Popkov D.A. 1, Gorbach E.S. 1
For citation: Popkov A.V., Gorbach E.N., Kononovich N.A., Tverdokhlebov S.I., Bolbasov E.N., Received: 15.03.2022 Popkov D.A., Gorbach E.S. Use of biodegradable polycaprolactone matrix for filling bone
Accepted: 09.06.2022 defects (experimental study). Acta biomedica scientifica. 2022; 7(4): 201-211. doi: 10.29413/
Published: 06.09.2022 ABS.2022-7.4.23
ОБОСНОВАНИЕ
В клинической практике травматолога-ортопеда нередко встречаются случаи дефектов костной ткани в виде полостей или костных кист дистрофического характера (последствия травмы, фиброзная диспла-зия, киста у детей или взрослых), требующих хирургического лечения. Как правило, лечение в таких случаях сводится к резекции патологического очага (секторальной, тотальной, внутрикостной) и замещению полости костным ауто- или аллотрансплантатом [1-4]. Но даже применение аутотрансплантата, считающееся наиболее эффективным при костно-пластических операциях, почти всегда требует повторного оперативного вмешательства [5, 6]. При этом могут возникать послеоперационные осложнения, вызванные повреждением кожных нервов, инфицированием, возникновением глубоких гематом, требующих хирургического вмешательства. Глубина прорастания капилляров в аутотрансплантат составляет не более 5 мм, что не способствует его активному замещению собственной костной тканью. Максимальную функциональную нагрузку такой трансплантат способен выдерживать после органотипической перестройки, но она происходит медленно (до 8 месяцев), поэтому возникает риск патологических переломов в послеоперационном периоде [7]. Кроме того, пострезекционная полость часто имеет сложную многоплоскостную форму, и из костного трансплантата во время операции практически невозможно создать такую же форму или подобрать подобный искусственный твёрдый имплантат.
В настоящем столетии быстро развивается регенеративная медицина, базирующаяся на стыке биологии, медицины и инженерии [8, 9].
В настоящее время наиболее перспективной считается стратегия восстановления повреждённой кости по технологии, когда после предварительного сбора здоровых клеток (дифференцированных осте-огенных или стволовых клеток) последние культивируют на скаффолде в специальном биореакторе, обеспечивающем подходящие биохимические и физические стимуляторы [10]. В последующем скаффолд имплантируют в дефект кости. Однако процедуры такого рода являются достаточно трудоёмкими и дорогостоящими [11].
Решением многих вопросов, связанных с осложнениями, травматичностью и длительностью лечения при замещении дефектов костной ткани могло бы стать применение эластичных имплантатов из биоактивных био-разлагаемых материалов, которыми можно заполнить костных дефект любой формы прямо во время операции и создающих благоприятные условия для остеоге-неза в области дефекта. Использование биосовместимых биодеградируемых синтетических материалов в сочетании с доступными биоактивными композитами [8] для изготовления имплантатов такого рода будет способствовать снижению рисков, связанных с иммунным ответом биологического организма, и уменьшению себестоимости имплантатов.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучить особенности репаративной регенерации биологических тканей при заполнении костных дефектов артифициальной матрицей в виде эластичного де-градируемого имплантата из поликапролактона без и с добавлением в его состав гидроксиапатита.
МЕТОДЫ
Дизайн исследования. Провели нерандомизированное контролируемое экспериментальное исследование на взрослых беспородных, клинически здоровых собаках (n = 10): возраст - 1-3 года, вес - 13,0-16,0 кг, длина голени - 13-15 см, диаметр большеберцовой кости - 1,2-1,5 см. Животные были разделены на две равные группы в зависимости от вида имплантационного материала. Основными критериями соответствия являлись возраст, клиническое состояние и остеометри-ческие характеристики большеберцовой кости (длина и диаметр).
В качестве тестируемого материала использовали биодеградируемый матрикс из поликапролактона (PCL), изготовленный методом электроспиннинга, и аналогичный матрикс, дополнительно наполненный гидроксиа-патитом (PCL/HA), полученным методом лазерной абляции как это описано в работах [12]. Технология изготовления биоматериала разработана в Томском политехническом университете.
Описание экспериментальной технологии. Наркоз животным осуществляли внутривенным введением 2,5%-го раствора тиопентала натрия (7-15 мг/кг массы тела) с предварительной премедикацией веществами: рометар 2 % - внутримышечно 0,1 мг/кг массы, дропе-ридол 0,25 % - внутримышечно 2,5 мг (1,0 мл), димедрол
1 % - внутримышечно (1,0 мл). На правой голени удаляли шёрстный покров. Хирургические манипуляции выполняли в условиях операционной. С медиальной поверхности голени, в области верхней трети диафиза большебер-цовой кости осуществляли продольный разрез мягких тканей протяжённостью 1,0 см. После этого при помощи трепана высверливали несквозное цилиндрическое отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10 мм. Сформированный костный дефект заполняли: в группе 1 - матрик-сом из PCL; в группе 2 - матриксом из PCL/HA. На мягкие ткани накладывали узловые швы.
Все манипуляции, дальнейшее содержание и выведение животных из эксперимента осуществляли согласно приказу № 755 от 12.08.77 МЗ СССР «О гуманном обращении с экспериментальными животными» и в соответствии с требованиями Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (Страсбург, 1986).
Продолжительность эксперимента составила 4 недели после оперативного вмешательства. В этот период отмечали общее состояние животных, их поведенческие реакции, особенности приёма корма и воды. Визу-
ально оценивали состояние мягких тканей в проекции имплантации тестируемых материалов.
Рентгенографию опытного сегмента выполняли перед началом эксперимента, еженедельно в течение 4 недель. Оценивали структуру теней в зоне имплантации. Использовали рентгеновский аппарат «VEP X Technology Premium VET» (Испания).
По окончании опыта (через 28 суток) животных эвтаназировали, осуществляя внутривенное введение тиопентала натрия в дозе 45 мг/кг живого веса с предварительной премедикацией. Полученные анатомические препараты области имплантации тестируемых материалов подвергали гистологическому исследованию.
Выполняли световую микроскопию целлоидиновых препаратов декальцинированной костной ткани, окрашенной гематоксилином и эозином, по Массону и по Ван Гизону, и оцифровку изображений. Для этого использовали микроскоп «AXIO LAB1», видеокамеру «AXIOCAM 105 Color», а также программное обеспечение Zen Blue (Carl Zeiss Microlmaging GmbH, Германия). Долевое соотношение тканевых компонентов и подсчёт численной плотности сосудов в области дефекта в проекции компактной пластинки и костномозговой полости осуществляли в программе анализаторе изображений «ВидеоТест-Мастер-Морфология» (Санкт-Петербург, Россия). Содержание Са в различных участках дефекта с интегрированным в него имплантатом определяли при помощи сканирующего электронного микроскопа «JSM-840» и смонтированного на его базе рентгеновского электронно-зондового микроанализатора «INCA-200» (Англия).
Полученные количественные данные подвергали статистическому анализу в программе «Attestat» версия 9.3.1. Гипотезу о различиях долей тканевых компонентов в области дефекта и о различиях численной плотности сосудов проверяли с использованием U-критерия Манна - Уитни. Количественные данные представлены в виде медианы (Me) и нижнего и верхнего квартилей (Q1-Q3). Гипотезу о различиях содержания Са в костной ткани экспериментальных групп проверяли с использованием критерия Стьюдента. Для проверки однородности выборок использовали критерий Смирнова. Различия считали статистически значимыми при р < 0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В ходе выполнения исследований установлено, I что все тестируемые материалы обладали биосовмести- I мостью с окружающими тканями, не вызывали токсических и аллергических реакций как местного, так и обще- < го действия. При клиническом осмотре общее состояние | собак было удовлетворительное. Не отмечали случаев ; гибели животных. Не было инфекционных и неврологи- < ческих осложнений. Поведенческие реакции, интенсивность приёма воды и корма соответствовали физиоло- ( гической норме. Локально визуально не выявляли па- <
тологии при заживлении кожных швов в области оперативного вмешательства.
В ранний послеоперационный период (через 1-3 суток) локально в области швов во всех случаях наблюдали умеренный отёк и гиперемию краёв операционной раны. Купирование отёка, как правило, происходило к 5-7-м суткам эксперимента. Заживление раневых поверхностей кожи области шва происходило первичным натяжением. Снятие швов выполняли через 7-10 суток после операции. На месте операционной раны формировался тонкий рубец бледно розового цвета.
Результаты рентгенографического исследования. В группах 1 и 2 на рентгенограммах, выполненных непосредственно после оперативного вмешательства, определяли дефект костной ткани правильной округлой формы с чёткими ровными контурами (рис. 1а). Тени в полости дефекта имели низкую интенсивность и рентгенологически между собой не отличались. На последующих этапах контуры краёв дефекта становились нечёткими, а интенсивность теней, заполняющих полость дефекта, постепенно увеличивалась. При этом тени приобретали глыбчатую структуру, что было сильнее выражено у животных группы 2.
К окончанию эксперимента на рентгенограммах у животных группы 1 контуры краёв дефекта определялись. Его полость заполняли тени, интенсивность которых была ниже интенсивности близлежащих участков кости (рис. 1б). В группе 2 контуры краёв дефекта были полностью стёрты, а его полость перекрывали высокоинтенсивные гомогенные тени (рис. 1в). Во всех наблюдениях на протяжении эксперимента на рентгенограммах не определяли патологического изменения толщины кортикального слоя и диаметра костномозгового канала опытной большеберцовой кости. Не отмечали признаков склероза и секвестрации костной ткани.
Гистологические исследования. Через 4 недели после операции в группе 1 надкостница в области дефекта была представлена рыхлой соединительной тканью с умеренным содержанием клеток фибробласти-ческого дифферона и мелкими сосудами артериального и венозного русла. Зона дефекта со стороны периоста была заполнена остатками биодеградируемо-го матрикса из поликапролактона и преимущественно рыхлой волокнистой соединительной тканью. Признаки остеогенеза со стороны надкостницы были выражены слабо (рис. 2а, в). В интермедиарной области формировалась трабекулярная кость с множеством микрососудов и рыхлой волокнистой соединительной тканью в межтрабекулярных промежутках (рис. 2в). В области костномозгового канала наблюдались остатки имплантированного в дефект биодеградируемого материала, слабоминерализованные костные трабекулы по его периферии, рыхлая волокнистая соединительная ткань, участки гемопоэтического костного мозга и микрососуды (рис. 2д).
В группе 2 с периостальной поверхности дефект был закрыт костной тканью пластинчатого строения. Однако в 1/2 интермедиарной и в эндостальной обла-
сти зона дефекта была представлена трабекулярной костью, более плотной, чем в группе 1 (рис. 2б, г). В меж-трабекулярных промежутках обнаруживалась рыхлая волокнистая соединительная ткань и микрососуды. В зоне костномозгового канала наблюдали участки рыхлой волокнистой соединительной ткани, микрососуды и единичные фрагменты имплантационного материала (рис. 2е).
Морфометрические исследования показали, что в обеих анализируемых группах в области дефекта в проекции компактной пластинки была больше доля костного компонента, а в проекции костномозгового канала - мягкотканного. Однако в группе 2, где дефект был заполнен имплантатом из поликапролактона с добавле-
нием гидроксиапатита, доля мягкотканного компонента во всех анализируемых областях дефекта была статистически значимо ниже (в среднем на 7 %), а доля костного компонента - статистически значимо выше, чем в группе с заполнением дефекта имплантатом из поликапролактона (табл. 1). В проекции компактной пластинки доля костной ткани в области дефекта была больше на 3,5 %, а в проекции костномозговой полости - на 30 %.
Количество микрососудов в единице площади было статистически значимо больше в проекции компактной пластинки группы, где в материал имплантата был добавлен гидроксиапатит (на 13,25 %), а в проекции костномозгового канала - в группе с имплантатом без гидроксиапатита (на 8,7 %) (табл. 1).
РИС. 1.
Фрагменты рентгенограмм: а - непосредственно после оперативного вмешательства;рентгенограммы большеберцовой кости голени после оперативного вмешательства и заполнения полости дефекта тестируемыми имплантаци-онными материалами из PCL и PCL/HA; б (группа 1) и в (группа 2) - через 28 суток после операции
FIG. 1.
Fragments of radiographs: а - immediately after surgery; radiographs of the tibia of the lower leg after surgery and filling the defect cavity with the tested implant materials from PCL and PCL/HA; 6 (Group 1) and b (Group 2) - 28 days after surgery
ТАБЛИЦА 1
МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТКАНЕВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ И ВАСКУЛЯРИЗАЦИИ ОБЛАСТИ КОСТНОГО ДЕФЕКТА, ЗАПОЛНЕННОГО РАЗЛИЧНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
TABLE 1
MORPHOMETRIC PARAMETERS OF TISSUE COMPONENTS AND VASCULARIZATION OF THE BONE DEFECT AREA FILLED WITH THE TESTED MATERIALS
Группы Область исследований Доля тканевых компонентов в области дефекта (%), Me (Q1-Q3) Численная плотность сосудов в области
Мягкотканный компонент Костный компонент дефекта (ед./мм2), Ме (Q1-Q3)
Группа 1 в проекции компактной пластинки в проекции костномозговой полости 33,26 (33-33,5)* 81,1 (80,9-81,7)* 66,7 (66,6-67)* 18,9 (18,3-19,1)* 52.1 (51,9-52,4)* 41.2 (40,14-41,7)*
Группа 2 в проекции компактной пластинки в проекции костномозговой полости 30, 7 (30,5-31,3)* 75,2 (75,1-76,3)* 69,2 (68,9-69,4)* 24,4 (23,7-24,8)* 60,1 (59,7-60,4)* 37,7 (37,4-38,1)*
Примечание. * - р < 0,05 по сравнению с другой экспериментальной серией.
б
а
в
я
л.
РИС. 2.
Гистоструктурные особенности формирующихся тканевых компонентов в зоне имплантации биоматериала через 4 недели эксперимента в группе 1 (левый столбец изображений) и группе 2 (правый столбец изображений): а, б - гистотопо-граммы поперечных распилов большеберцовой кости с дефектом, заполненным имплантатом (а - из поликапролактона; б - из поликапролактона с гидроксиапатитом); в, г - костная ткань в интермедиарной зоне дефекта кости; д, е - рыхлая волокнистая соединительная ткань, костные трабекулы, участки костного мозга, остатки биодегради-руемого имплантата и микрососуды в эндостальной области дефекта. Препараты окрашены по Массону. Ув. 1,5х (а, б), 50х (в, г, д,В)
e
FIG. 2.
Histostructural features of tissue components in the area of biomaterial implantation after 4 weeks of the experiment in Group 1 (left column of images) and Group 2 (right column of images): a, 6 - his-totopograms of transverse sections of the tibia with defect filled in with implanted materials (a - polycaprolactone; 6 - polycaprol-actone with hydroxyapatite); b, г - bone tissue in the intermediary zone of the bone defect; d, e - loose fibrous connective tissue, bone trabeculae, areas of the bone marrow, remnants of the biodegradable implant, and microvessels in the endosteal region of the defect. Preparations are stained according to Masson. Magnification x1.5 (a, 6), x50 (b, г, d, e)
206
Результаты рентгеновского электронно-зондово-го микроанализа показали, что содержание Са во всех исследуемых участках сформировавшегося к данному периоду ткане-имплантационного блока (регенерата с включёнными в его состав волокнами имплан-тата) было статистически значимо большим в группе 2, что свидетельствует о наиболее выраженных процессах остеогенеза в области дефекта этих животных. Кроме того, отток Са из компактной пластинки в область дефекта в группе 2 был значительно уменьшен по сравнению с группой 1, что мы связываем с наличием в имплан-тационном материале гидроксиапатита.
ТАБЛИЦА 2
СОДЕРЖАНИЕ СА В РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКАХ ДЕФЕКТА С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ В НЕГО ИМПЛАНТАТОМ ЧЕРЕЗ 28 СУТОК ЭКСПЕРИМЕНТА
TABLE 2
CONTENT OF CA IN DIFFERENT PARTS OF THE DEFECT WITH AN INTEGRATED IMPLANT AFTER 28 DAYS OF THE EXPERIMENT
Исследуемые участки Содержание Са (W, вес.%)
группа 1 группа 2
Периостальная область Эндостальная область Интермедиарная область Компактная пластинка у зоны дефекта 4,6 ± 0,19* 9 ± 0,33* 5,3 ± 0,21* 6,1 ± 0,24* 11 ± 0,44* 15 ± 0,69* 15 ± 0,68* 19 ± 0,71*
Примечание. * - р < 0,05 по сравнению с другой экспериментальной серией.
ОБСУЖДЕНИЕ
Традиционные методы лечения дефектов костной ткани в виде полости врождённого или приобретённого характера заключаются в резекции патологического очага и заполнении полости костным трансплантатом, лучше аутотрансплантатом [3, 4]. При этом появляются потенциальные риски и возможные осложнения в области взятия аутотрансплантата в виде травмати-зации сосудистых и нервных структур мягких тканей, инфицирования, формирования косметических дефектов. Органотипическая перестройка такого трансплантата происходит медленно, вследствие чего возможны патологические переломы [13]. В случаях необходимости резекции большого объёма кости возникает вопрос о выборе адекватного способа остеосинтеза. Метод чрескостного остеосинтеза по Илизарову позволяет постепенно заместить любой дефект кости, удлиняя костный фрагмент, но сроки лечения составляют длительный период [14].
В настоящее время ещё нет искусственных материалов, полностью идентифицирующих морфологию и биомеханические свойства костной ткани. Но разрабатываемые современные имплантационные материалы долж-
ны быть совместимы с окружающими их тканями и биологическими жидкостями, выдерживать, подобно кости, биомеханические нагрузки, обладать остеоиндуктивны-ми и кондуктивными свойствами, способствуя адгезии и остеогенной дифференцировке малодифференциро-ванных клеток [6, 7, 15].
Одним из таких материалов считается поликапро-лактон. О его биосовместимости свидетельствуют результаты настоящего исследования и других исследователей [16-19]. Материал уже успешно используется для изготовления различного рода имплантатов. Пока он наиболее востребован в сосудистой хирургии [20, 21] и косметологии [22].
В последние годы появляются публикации по применению композиционных материалов с преимущественным содержанием поликапролактона для замещения дефектов опорных тканей [23-26]. Наиболее перспективным направлением в создании искусственного биоактивного имплантата являются кальций-фосфатные композиты из деградируемых полимеров [27-29].
Данные композиты по своему составу аналогичны кости и могут обеспечивать остеогенные клетки минеральными и органическими веществами. Пористая рельефная структура создаёт необходимые условия для миграции и адгезии клеток, а их способность к биодеградации - постепенному замещению имплантата костной тканью [23, 27].
Подобного рода исследования демонстрируют ре-генерационный подход при замещении костных дефектов, когда акцент делается не на замещение дефекта имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала и замену его костной тканью, что мы и пытались достичь в данной работе.
В настоящем исследовании эластичный имплантат с волокнистой пористой структурой обладал биологической совместимостью с окружающими его тканями, служил матрицей для адгезии клеток, врастания кровеносных сосудов, лёгкого проникновения биологических жидкостей с биоактивными веществами, то есть обладал остеокондукционными свойствами о чём свидетельствовали результаты клинических наблюдений, рентгенологической картины, макро- и микропрепарирования, а также полученных путём гистологических исследований. Наличие гидроксиапатита улучшало его адгезионные свойства, способствовало остеогенной дифференцировке клеток и являлось своеобразным депо кальция, что уменьшало его отток из участков кости, окружающих дефект. Через месяц экспериментальных наблюдений имплантат в большей части биодеградировал и замещался костной тканью, которая на данном этапе наблюдения находилась в стадии органотипической перестройки. Наличие большего объёма более минерализованной костной ткани в группе с содержанием в составе имплантата гидроксиапатита свидетельствует о его стимулирующем воздействии на процесс остеогенеза. Таким образом, применяемый в группе 2 имплантат соответствовал характеристикам, предъявляемым к современным искусственным материалам для замещения
костных дефектов [6, 7]. Преимуществом применения таких имплантатов является отсутствие необходимости заселения матрицы стволовыми клетками, их возможность создавать условия для биоинтеграции собственных клеток с остеогенными потенциями, используя собственный резерв повреждённого участка кости при отсутствии риска биологического конфликта и более низкой себестоимости.
Представленные нами исследования позволяют утверждать, что регенеративный способ лечения дефектов кости различной формы, в том числе и после импрес-сионных переломов, с помощью эластичного пористого имплантата обеспечивает формирование костной ткани в короткие сроки.
Эволюция хирургии костей в последние годы явно указывает на необходимость содружества травматологии с целым рядом смежных дисциплин: химия, биомеханика, физика, математика. Новые технологии использования биоактивных имплантатов не требуют законодательного обеспечения, а также значительной финансовой поддержки. В этих условиях время лечения пациента сокращается минимум в 2 раза, а положительный исход становиться гарантированным.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, эластичные имплантаты, изготовленные из поликапролактона методом электроспиннинга, обладают биологической совместимостью, биодегради-руемы и могут быть использованы для замещения дефектов костной ткани. Гидроксиапатитовое наполнение эластичного деградируемого имплантата из поликапролактона способствует развитию более активного остеогенеза в области костного дефекта.
Финансирование
Работа выполнена в рамках программы НИР Государственного задания на 2021-2023 гг. «Биоактивный остеосинтез повреждений длинных трубчатых костей», а также в рамках программы развития ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».
Конфликт интересов
Авторы данной статьи сообщают об отсутствии конфликта интересов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Губочкин Н.Г., Микитюк С.И., Иванов В.С. Пересадка кровоснабжаемых костных трансплантатов для лечения ложных суставов и дефектов костей. Гений ортопедии. 2014; (4): 5-10.
2. Тихилов Р.М., Кочиш А.Ю., Лушников С.П. Новый способ одномоментной несвободной пластики двумя кровоснабжа-емыми костными аутотрансплантатами при ложных суставах обеих костей предплечья. Травматология и ортопедия России. 2010; (1): 89-93. 10.21823/2311-2905-2010-0-1-89-93
3. Нагиева С.Э., Исмаилова Ф.Э., Нагиев Э.Р. Перспективы трансплантации костной ткани при замещении дефектов нижней челюсти (обзор литературы). Научное обозрение. Медицинские науки. 2016; (4): 69-77.
4. Анастасиева Е.А., Садовой М.А., Воропаева А.А., Кирилова И.А. Использование ауто- и аллотрансплантатов для замещения костных дефектов при резекциях опухолей костей. Травматология и ортопедия России. 2017; 23(3): 148-155. doi: 10.21823/2311-2905-2017-23-3-148-155
5. Janicki P, Schmidmaier G. What should be the characteristics of the ideal bone graft substitute? Combining scaffolds with growth factors and/or stem cell. Injury. 2011; 42(2): 77-81. doi: 10.1016/j.injury.2011.06.014
6. Власова Т.И., Арсентьева Е.В., Худайберенова Г.Д., Полякова Д.И. Современный взгляд на использование костных заменителей и возможность усиления их остеогенности клеточными технологиями. Медицинский вестник Башкортостана. 2020; 15(2): 53-58.
7. Тарасов А.Н. Костно-пластические вмешательства при лечении доброкачественных опухолей костей. Практическая медицина. 2019; 17(1): 59-63.
8. Хмелевская С.А. Регенеративная медицина и проблема бессмертия. Социально-политические науки. 2018; (3): 192-193.
9. Нурмухаметов М.Р., Макаров М.А., Бялик Е.И., Хренников Я.Б., Бялик В.Е., Нестеренга В.А. Применение техники аутологичного индуцированного матрицей хондрогенеза в лечении пациентов с остеоартритом первого плюснефа-лангового сустава. Гений ортопедии. 2021; 27(2): 220-226. doi: 10.18019/1028-4427-2021-27-2- 220-226
10. Ларионов П.М., Садовой М.А., Самохин А.Г., Рожно-ва О.М., Гусев А.Ф., Принц В.Я. и др. Создание тканеинженерного эквивалента костной ткани и перспективы его использования в травматологии и ортопедии. Хирургия позвоночника. 2014; (3): 77-85.
11. Ribeiro C, Parssinen J, Sencadas V, Correia V, Miettinen S, Hytonen VP, et al. Dynamic piezoelectric stimulation enhances osteogenic differentiation of human adipose stem cells. J Biomed Mater Res. 2015; 103(6): 2172-5217. doi: 10.1002/jbm.a.35368
12. Bolbasov EN, Lapin IN, Svetlichnyi VA, Lenivtseva YD, Malashicheva A, Malashichev Y, et al. The formation of calcium phosphate coatings by pulse laser deposition on the surface of polymeric ferroelectric. Applied Surface Science. 2015; 349: 420429. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.05.025
13. Thone M, Reychler H. Auto-transplantation of an impacted or retained maxillary canine. Rev Stomatol Chir Maxillofac. 2002; 103(5): 288-293. (In French).
14. Митрофанов А.И., Чевардин А.Ю. Технология комбинированного остеосинтеза при лечении больных с последствиями травм длинных трубчатых костей (технология остеосинтеза). Гений ортопедии. 2014; (3): 13-15.
15. Popkov AV, Popkov DA, Gorbach EN, Kononovich NA, Kulbakin DE, Choynzonov EL, et al. Solution blow spinning of PLLA/ hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomedical Materials (Bristol): Materials for tissue engineering and regenerative medicine. 2021; 16(5): 055005. doi: 10.1088/1748-605X/ac11ca
16. Рогожина А.С. Сравнительный анализ биосовместимости матриц на основе поликапролактона, содержащих
гидроксиапатит и фатерит. Бюллетень медицинских интернет-конференций. 2018; 8(9): 458.
17. Козадаев М.Н. Исследование биосовместимости скаффолда на основе поликапролактона в условиях in vivo. Бюллетень медицинских интернет-конференций. 2016; 6(8): 1423-1424.
18. Иванов А.Н., Куртукова М.О., Чибрикова Ю.А., Ку-стодов С.В.; Тяпкина Д.А., Бугаева И.О. и др. Сравнительная характеристика микроциркуляторных изменений у белых крыс при подкожных имплантационных тептах матриц из поликапролактона, содержащих ватерит и гидроксиапатит. Саратовский научно-медицинский журнал. 2019; 15(1): 98-103.
19. Арутюнян И.В., Тенчурин Т.Х., Кананыхина Е.Ю., Черников В.П., Васюкова О.А., Ельчанинов А.В и др. Нетканые материалы на основе поликапролактона для тканевой инженерии: выбор структуры и способа заселения. Гены и клетки. 2017; 12(1): 62-71. doi: 10.23868/201703009
20. Севостьянова В.В., Миронов А.В., Глушкова Т.В., Бура-го А.Ю., Матвеева В.Г., Антонова Л.В. Регенерация кровеносного сосуда на основе графта из поликапролактона в экспериментальном исследовании. Сибирский медицинский журнал. 2016; 31(1): 53-57.
21. Захарова И.С., Смирнова А.М., Живень М.К., Саая Ш.Б., Шевченко А.И., Закиян С.М. и др. Разработка тканеинженерных конструкций на основе смеси хитозана и поликапролактона для сосудистой хирургии. Гены и клетки. 2016; 11(4): 50-56.
22. Jeong GJ,Ahn GR, Park SJ, Hong JY, Kim BJ. A randomized, patient/evaluator-blinded, split-face study to compare the efficacy and safety of polycaprolactone and polynucleotide fillers in the correction of crow's feet: The latest biostimulatory dermal filler for crow's feet. J Cosmet Dermatol. 2020; 19(7): 1593-1599. doi: 10.1111/jocd.13199
23. Попков А.В., Попков Д.А., Кобызев А.Е., Горбач Е.Н., Кононович Н.А., Горбач Е.С. Положительный опыт полнослой-ного замещения дефекта суставного хряща при использовании деградируемого имплантата с биоактивной поверхностью в сочетании с обогащённой тромбоцитами плазмой крови (экспериментальное исследование). Гений ортопедии. 2020; 26(3): 392-397. doi: 10.18019/1028-4427-2020-26-3-392
24. Jia Z, Li H, Cao R, Xiao K, Lu J, Zhao D, et al. Electrospun nanofibrous membrane of fish collagen/polycaprolactone for cartilage regeneration. J TranslRes. 2020; 12(7): 3754-3766.
25. Liu Y, Tian K, Hao J, Yang T, Geng X, Zhang W. Biomimetic polyglycerol sebacate/polycaprolactone blend scaffolds for cartilage tissue engineering. J Mater Sci Mater Med. 2019; 30(5): 53. doi: 10.1007/s10856-019-6257-3
26. Teoh SH, Goh BT, Lim J. Three-dimensional printed polycaprolactone scaffolds for bone regeneration success and future perspective. Tissue Eng Part A. 2019; 25(13-14): 931-935. doi: 10.1089/ten.TEA.2019.0102
27. Liu Y, Wang R, Chen S, Xu Z, Wang Q, Yuan P, et al. Heparan sulfate loaded polycaprolactone-hydroxyapatite scaffolds with 3D printing for bone defect repair. Int J Biol Macromol. 2020; 148: 153162. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.01.109
28. Zhang B, Liwei G, Hongyi C, Vetnikos Y, Huang J, Narayan R, et al. Finite element evaluations of the mechanical properties of polycaprolactone/hydroxyapatite scaffolds by direct ink writing: Effects of pore geometry. J Mech Behav Biomed Mater. 2020; 104: 103665. doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.103665
29. Kosik-Koziot A, Heljak M, Swi^szkowski W. Mechanical properties of hybrid triphasic scaffolds for osteochondral tissue engineering. Materials Letters. 2020; 261: 126893. doi: 10.1016/j. matlet.2019.126893
REFERENCES
1. Gubochkin NG, Mikityuk SI, Ivanov VS. Transplantation of vascularized bone grafts for treatment of bone pseudoarthroses and defects. GenijOrtopedii. 2014; (4): 5-10. (In Russ.).
2. Tikhilov RM, Kochish AYu, Lushnikov SP. A new method of simultaneous non-free plasty with two blood-supplied bone autografts for nonunions of both bones of the forearm. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2010; (1): 89-93. (In Russ.). doi: 10.21823/2311-2905-2010-0-1-89-93
3. Nagieva SE, Ismailova FE, Nagiev ER. Perspectives of bone tissue transplantation in the replacement of mandibular defects (literature review). Nauchnoe obozrenie. Meditsinskie nauki. 2016; (4): 69-77. (In Russ.).
4. Anastasieva EA, Sadovoi MA, Voropaeva AA, Kirilova IA. The use of auto- and allografts for the replacement of bone defects in resections of bone tumors. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2017; 23(3): 148-155. (In Russ.). doi: 10.21823/2311-2905-201723-3-148-155
5. Janicki P, Schmidmaier G. What should be the characteristics of the ideal bone graft substitute? Combining scaffolds with growth factors and/or stem cell. Injury. 2011; 42(2): 77-81. doi: 10.1016/j.injury.2011.06.014
6. Vlasova TI, Arsent'eva EV, Khudaiberenova GD, Pol-yakova DI. A modern view on the use of bone substitutes and the possibility of enhancing their osteogenicity by cell technologies. Bashkortostan Medical Journal. 2020; 15/2(86): 53-58. (In Russ.).
7. Tarasov AN. Osteoplastic interventions in the treatment of benign bone tumors. Practical medicine. 2019; 17(1): 59-63. (In Russ.).
8. Khmelevskaya SA. Regenerative medicine and the problem of immortality. Sociopolitical sciences. 2018; (3): 192-193. (In Russ.).
9. Nurmukhametov MR, Makarov MA, Bialik EI, Khren-nikov YaB, Bialik VE, Nesterenko VA. Application of autologous matrix-induced chondrogenesis technique in treatment of patients with osteoarthritis of the first metatarsophalangeal joint. Genij Ortopedii. 2021; 27(2): 220-226. (In Russ.). doi: 10.18019/10284427-2021-27-2-220-226
10. Larionov PM, Sadovoy MA, Samokhin AG, Rozhnova OM, Gusev AF, Prints VYa. Bone tissue engineering and perspective of its use in traumatology and orthopedics. Spine surgery. 2014; (3): 77-85. (In Russ.).
11. Ribeiro C, Parssinen J, Sencadas V, Correia V, Miettinen S, Hytonen VP, et al. Dynamic piezoelectric stimulation enhances osteogenic differentiation of human adipose stem cells. J Biomed Mater Res. 2015; 103(6): 2172-5217. doi: 10.1002/jbm.a.35368
12. Bolbasov EN, Lapin IN, Svetlichnyi VA, Lenivtseva YD, Malashicheva A, Malashichev Y, et al. The formation of calcium phosphate coatings by pulse laser deposition on the surface of polymeric ferroelectric. Applied Surface Science. 2015; 349: 420429. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.05.025
13. Thone M, Reychler H. Auto-transplantation of an impacted or retained maxillary canine. Rev Stomatol Chir Maxillofac. 2002; 103(5): 288-293. (In French).
14. Mitrofanov AI, Chevardin AYu. Technology of combined osteosynthesis in the treatment of patients with consequences of injuries of long tubular bones (osteosynthesis technology). Genij Ortopedii. 2014; (3): 13-15. (In Russ.).
15. Popkov AV, Popkov DA, Gorbach EN, Kononovich NA, Kulbakin DE, Choynzonov EL, et al. Solution blow spinning of PLLA/ hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomedical Materials (Bristol): Materials for tissue engineering and regenerative medicine. 2021; 16(5): 055005. doi: 10.1088/1748-605X/ac11ca
16. Rogozhina AS. Comparative analysis of the biocompat-ibility of matrices based on polycaprolactone containing hydroxyapatite and vaterite. Bulletin of Medical Internet Conferences. 2018; 8(9): 458. (In Russ.).
17. Kozadaev MN. Study of the biocompatibility of the scaffold based on polycaprolactone in vivo. Bulletin of Medical Internet Conferences. 2016; 6(8): 1423-1424. (In Russ.).
18. Ivanov AN, Kurtukova MO, Chibrikova YuA, Kustodov SV, Tyapkina DA, Bugaeva IO. Comparative characteristics of micro-circulatory changes in white rats with subcutaneous implantation matrices from polycaprolactone containing vaterite and hydroxyapatite. Saratov Journal of Medical Scientific Research. 2019; 15(1): 98-103. (In Russ.).
19. Arutyunyan IV, Tenchurin TKh, Kananykhina EYu, Chernikov VP, Vasyukova OA, Elchaninov AV, et al. Nonwoven materials based on polycaprolactone for tissue engineering: choice of structure and mode of settlement. Genes & Cells. 2017; 12(1): 62-71. (In Russ.). doi: 10.23868/201703009
20. Sevostyanova VV, Mironov AV, Glushkova TV, Burago AYu, Matveeva VG, Antonova LV. Regeneration of a blood vessel based on polycaprolactone graft in an experimental study. Siberian Medical Journal. 2016; 31(1): 53-57. (In Russ.).
21. Zakharova IS, Smirnova AM, Zhiven MK, Saaya ShB, Shevchenko AI, Zakian SM, et al. Development of tissue engineering structures based on a mixture of chitosan and polycap-
rolactone for vascular surgery. Genes & Cells. 2016; 11(4): 50-56. (In Russ.).
22. Jeong GJ, Ahn GR, Park SJ, Hong JY, Kim BJ. A randomized, patient/evaluator-blinded, split-face study to compare the efficacy and safety of polycaprolactone and polynucleotide fillers in the correction of crow's feet: The latest biostimulatory dermal filler for crow's feet. J Cosmet Dermatol. 2020; 19(7): 1593-1599. doi: 10.1111/ jocd.13199
23. Popkov AV, Popkov DA, Kobyzev AE, Gorbach EN, Kononovich NA, Gorbach ES. Positive experience of full-layer filling of an articular cartilage defect using a degradable implant with a bioactive coating in combination with platelet-rich plasma (pilot study). Genij Ortopedii. 2020; 26(3): 392-397. (In Russ.). doi: 10.18019/1028-4427-2020-26-3-392
24. Jia Z, Li H, Cao R, Xiao K, Lu J, Zhao D, et al. Electrospun nanofibrous membrane of fish collagen/polycaprolactone for cartilage regeneration. J TranslRes. 2020; 12(7): 3754-3766.
25. Liu Y, Tian K, Hao J, Yang T, Geng X, Zhang W. Biomimetic polyglycerol sebacate/polycaprolactone blend scaffolds for cartilage tissue engineering. J Mater Sci Mater Med. 2019; 30(5): 53. doi: 10.1007/s10856-019-6257-3
26. Teoh SH, Goh BT, Lim J. Three-dimensional printed polycaprolactone scaffolds for bone regeneration success and future perspective. Tissue Eng Part A. 2019; 25(13-14): 931-935. doi: 10.1089/ten.TEA.2019.0102
27. Liu Y, Wang R, Chen S, Xu Z, Wang Q, Yuan P, et al. Heparan sulfate loaded polycaprolactone-hydroxyapatite scaffolds with 3D printing for bone defect repair. Int J Biol Macromol. 2020; 148: 153162. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.01.109
28. Zhang B, Liwei G, Hongyi C, Vetnikos Y, Huang J, Narayan R, et al. Finite element evaluations of the mechanical properties of polycaprolactone/hydroxyapatite scaffolds by direct ink writing: Effects of pore geometry. J Mech Behav Biomed Mater. 2020; 104: 103665. doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.103665
29. Kosik-Koziot A, Heljak M, Swiçszkowski W. Mechanical properties of hybrid triphasic scaffolds for osteochondral tissue engineering. Materials Letters. 2020; 261: 126893. doi: 10.1016/ j.matlet.2019.126893
Сведения об авторах
Попков Арнольд Васильевич - доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник клиники нейроортопедии, системных заболеваний и патологии стопы, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова» Минздрава России, е-таИ; [email protected], https://orcid.org/0000-0001-5791-1989
Горбач Елена Николаевна - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории морфологии, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова» Минздрава России, е-т^1: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9516-7481 Кононович Наталья Андреевна - кандидат ветеринарных наук, ведущий научный сотрудник экспериментальной лаборатории, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова» Минздрава России, е-т^1: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-5990-8908 Твердохлебов Сергей Иванович - кандидат физико-математических наук, доцент, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», е-т^1: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-2242-6358
Больбасов Евгений Николаевич - кандидат технических наук, научный сотрудник, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», е-т^1: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9789-2185
Попков Дмитрий Арнольдович - доктор медицинских наук, профессор РАН, член-корреспондент Французской академии медицинских наук, руководитель клиники нейроортопедии, системных заболеваний и патологии стопы, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова» Минздрава России, е^!: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8996-867X
Горбач Евгений Сергеевич - аспирант второго года обучения, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова» Минздрава России, е-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-0682-1825
Information about the authors
Arnold V. Popkov - Dr. Sc. (Med.), Professor, Chief Research Officer at the Clinic of Neuro-Orthopedics, Systemic Diseases and Pathology of the Foot, National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Ortopaedics, e-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0001-5791-1989
Elena N. Gorbach - Cand. Sc. (Biol.), Leading Research Officer at the Laboratory of Morphology, National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Ortopaedics, e-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9516-7481
Natalia A. Kononovich - Cand. Sc. (Vet.), Leading Research Officer at the Experimental Laboratory, National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Ortopaedics, e-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-5990-8908
Sergei I. Tverdokhlebov - Cand. Sc. (Phys.-Math.), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, e-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-2242-6358 Evgeny N. Bolbasov - Cand. Sc. (Tech.), Research Officer, National Research Tomsk Polytechnic University, e-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9789-2185 Dmitry A. Popkov - Dr. Sc. (Med.), Professor of the Russian Academy of Sciences, Corresponding Member of the French Academy of Medical Sciences, Head of the Clinic of Neuro-Orthopedics, Systemic Diseases and Pathology of the Foot, National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Ortopaedics, e-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8996-867X EvgenyS. Gorbach - Postgraduate, National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Ortopaedics, e-mail: [email protected], https://orcid.org/0000-0002-0682-1825
