CC BY
32
УДК 616.71-001. 5-022-089. 28/.29
К ВОПРОСУ О МИКРОБНОИ КОНТАМИНАЦИИ ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ ОСТЕОСИНТЕЗА
© 2013. Е.Ю. Масленников, Д.Е. Росторгуев, И.И. Таранов, Е.А. Герасименко
Масленников Евгений Юльевич - кандидат медицинских наук, доцент, кафедра военно-полевой хирургии, Ростовский государственный медицинский университет, пер. Нахичеванский, 29, г. Ростов н/Д, 344022, e-mail: mas_eu@mail. ru.
Росторгуев Дмитрий Евгеньевич - аспирант, кафедра военно-полевой хирургии, Ростовский государственный медицинский университет, пер. Нахичеванский, 29, г. Ростов н/Д, 344022, e-mail: ed.rost@mail.ru.
Таранов Иван Ильич - доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой военно-полевой хирургии, Ростовский государственный медицинский университет, пер. Нахичеванский, 29, г. Ростов н/Д, 344022, e-mail: tara-sparkovez@mail. ru.
Герасименко Елена Анатольевна - научный сотрудник, Институт аридных зон Южного научного цента РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов н/Д, 344006, e-mail: alyon-ka_f@mail.ru.
Maslennikov Evgeniy Yulievich - Candidate of Medical Science, Associate Professor, Department of Military-Field Surgery, Rostov State Medical University, Nakhichevanskiy Lane, 29, Rostov-on-Don, 344022, e-mail: mas_eu@mail.ru.
Rostorguev Dmitriy Evgenevich - Post-Graduate Student, Department of Military-Field Surgery, Rostov State Medical University, Nakhichevanskiy Lane, 29, Rostov-on-Don, 344022, e-mail: ed.rost@mail.ru.
Taranov Ivan Ilich - Doctor of Medical Science, Professor, Head of Department of Military-Field Surgery, Rostov State Medical University, Nakhichevanskiy Lane, 29, Rostov-on-Don, 344022, e-mail: tara-sparkovez@mail.ru.
Gerasimenko Elena Anatolevna - Scientific Researcher, Institute of Arid Zones of the Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Chekhov St., 41, Rostov-on-Don, 344006, e-mail: alyonka_f@mail.ru.
С целью установления причин возникновения постимплантационных инфекционных осложнений изучены изменения морфологии поверхности имплантатов для накостного остеосинтеза в результате длительного пребывания в организме. Увеличение размеров микронеровностей на поверхностях пластин в результате агрессивного воздействия биологических сред способствует адгезии воспалительных клеток и бактерий к поверхности имплантатов, увеличивает риск развития инфекционных осложнений. Микробная контаминация поверхностей имплантатов выявлена в 62,8 % случаев и была представлена условно-патогенными микроорганизмами с превалированием грампозитивной флоры.
Ключевые слова: остеосинтез, имплантаты, биологическая среда, микробная контаминация, инфекционные осложнения.
Morphological changes of the surface of implants for osseous osteosynthesis as a result of a long stay in the organism have been studied. The purpose was to determine the reasons of the origin of post-implantation infections complications. Increasing of the size of micro-unevenness on the surface of the plates as a result of aggressive influence of biologically active substances is conductive to adhesion of inflammatory cells and bacteria to the surface of implants. It increases risk of development of infections complications. Microbe contamination of the surface of implants has been revealed in 62,8 % of cases. It was presented by conditionally-pathogenetic microorganisms with grampositive flora prevailing.
Keywords: osteosynthesis, implants, biological substance, microbe contamination, infections complications.
Постимплантационные инфекционные осложнения являются значительной проблемой современной ортопедии. Адгезия микробов к биоматериалам рассматривается как первый шаг в процессе контаминации [1, 2]. Предполагается, что некоторые биоматериалы могут провоцировать развитие инфекции, при определённых условиях способствуя размножению микроорганизмов. Установлено, что развитие инфекционного процесса зависит от структуры биоматериала [3 - 5].
Функционирование имплантатов для остеосинтеза протекает в условиях действия на их поверхность тканевой жидкости, крови, лимфы и других жидких компонентов, присутствующих в структурах организма. Данные жидкости имеют водную основу и обладают свойствами электролитов [4, 6]. Протекающие анодные процессы характеризуются ионизацией атомов применяемых имплантатов, диффузией ионов в окружающую биосреду [6 - 8]. Вследствие этого из-
меняются состав и свойства поверхности имплантата, а также происходит нарушение нормальных клеточных процессов в биоструктурах, возникает опасность развития воспалительных явлений и отторжения им-плантата [3, 9].
Цель исследования - изучение изменений некоторых параметров морфологии поверхности импланта-тов для накостного остеосинтеза в результате длительного пребывания в организме, возможности микробной контаминации имплантатов.
Материалы и методы
Исследованы образцы имплантатов для накостного остеосинтеза (пластины 1/3 трубки) производства ООО «Остеосинтез». Все имплантаты выполнены из отвечающих современным международным стандартам материалов (ISO).
Образцы для исследований разделены на две группы. Основную группу составили имплантаты, использованные для остеосинтеза переломов голеностопного сустава (25 образцов), которые находились в контакте с тканями организма в течение 5-7 мес. Накостную фиксацию имплантатов осуществляли винтами из сплава титана. Во всех клинических наблюдениях послеоперационный период при инсталляции металлоконструкций для остеосинтеза протекал без осложнений. Имплантаты извлекали во время операций удаления металлоконструкций. У всех больных на момент операции извлечения отсутствовали клинические признаки локального воспалительного (инфекционного) процесса.
Группа сравнения (14 образцов) представлена ранее не использованными («новыми») в целях остео-синтеза имплантатами, не контактировавшими с биологическими средами организма. По отношению к этим имплантатам на муляже голеностопного сустава были произведены механические манипуляции, идентичные тем, которые производятся по отношению к металлоконструкциям в клинических условиях (стерилизация, моделирование формы конструкции, фиксация к кости и демонтаж).
Исследовали следующие параметры:
- химический состав имплантата методом спектрального анализа;
- состояние поверхности пластин при помощи стереоскопического микроскопа Stemi-2000C Carl Zeiss;
- с целью определения высоты микронеровностей на поверхностях имплантатов из пластин были изготовлены микрошлифы в поперечном сечении, которые исследовались на металлографическом микроскопе Axiovert-40MAT Carl Zeiss с применением специального программного обеспечения для проведения линейных измерений на изображении.
Бактериологические исследования на предмет микробной контаминации поверхности имплантатов были выполнены в 35 наблюдениях и включали микроскопические и культуральные методы [10]. Изъятие материала для исследования производилось во время операций удаления металлоконструкций в условиях строгого соблюдения правил асептики и антисептики. Кожные покровы изолировались от операционной раны антибактериальным покрытием (инцизной плёнкой). Материал для исследования доставлялся в лабо-
раторию в максимально короткие сроки. Степень об-семенённости образца выражали в Ig, KOE/мл.
Статистический анализ результатов исследования производили с помощью пакета программ Microsoft Exсel 5.0. Оценку достоверности межгрупповых сравнений проводили по t-критерию Стьюдента. За уровень значимости принимали р < 0,05.
Результаты исследования
Спектральным анализом пластин установлено, что по химическому составу, %: Al - 1,9; Mn - 1,23; Cr -0,09; Si - 0,05; Fe - 0,3; Zr - 0,016, материал можно отнести к титановому сплаву ОТ4-1.
При исследовании поверхностей пластин стереоскопическим микроскопом Stemi-2000C Carl Zeiss установлено, что имплантаты не использованные в целях остеосинтеза (группа сравнения) имели блестящую поверхность (рис. 1а, б).
б
Рис. 1. Поверхность «новой» пластины: а - наружная; б - внутренняя
Пластины, использованные в целях остеосинтеза (основная группа), имели матовую поверхность как в наружных, так и внутренних отделах (рис. 2а, б).
Матовость поверхности использованных пластин соответствует состоянию металла, подвергавшегося агрессивному химическому воздействию. Установлены отличия параметров маркировки пластин, выполненной электроискровым методом. Исследования, выполненные с помощью стереомикроскопа 81ешь 2000С, выявили различия в толщине линий маркировки на «новых» и использованных пластинах. На использованных пластинах имело место истончение линий, что свидетельствует о растраве поверхностного слоя металла (рис. 3 а, б).
Г '* * . ' • iv \ »
* • . £ V t 1 • 4« ••• 'i , • »л ** •
? '• * • »
1 ч ' , » » «.
;< 1 Р: .. .» у 'ß ' (
' ■ V ' « 4 1 1, » » '•' ■'•t ' , V V «V . 1 ! у-л ■: V : '
V' v,'' \ ' • ' I »'•» ?
ч . ! % * • * Л ,
с '•.У i V » , < г
У ' t « '' <
V4 ; •1 .)' '•>. v . «
' } V Ч > .•л
* •. ', \ v • ' _ .1 ^ t \ . • ч-
А » < * V » - . * 'г :>
Ф • ч 1 ^ '1 10QP мкм
' - «.Л ' , ' >'» I> 5 * .Г А
-/гоомк»'' '.". ''.-С -f'"'
У- ■ >-i // • < • I-' s ■ • •
К> <1- ' ii » .' V
r< i f.—, Ф»«^- , "Л*
г&ртрШ'-е&.эг • л
б
Рис. 2. Поверхность использованной пластины: а - наружная; б - внутренняя
В результате измерения микронеровностей на микрошлифах установлено, что на пластинах, не контактировавших с биологическими средами, высота микронеровностей на наружной (выпуклой) поверхности им-плантатов (рис. 4а) варьировалась в пределах 1,42,3 мкм при среднем значении 1,76 ± 0,10 мкм, на внутренней (вогнутой) поверхности (рис. 4б) - в пределах 1,6-2,7 мкм при среднем значении 1,91 ± 0,11 мкм. Достоверных различий в высоте микронеровностей выявлено не было (р > 0,05).
На использованных в целях остеосинтеза пластинах высота микронеровностей на наружной поверхности имплантатов (рис. 5а) варьировалась в пределах 1,8-3,0 мкм при среднем значении 2,34 ± 0,16 мкм, на
б
Рис. 3. Пластина: а - «новая»; б - использованная
внутренней поверхности (рис. 5б) - в пределах 2,33,2 мкм при среднем значении 2,73 ± 0,11 мкм.
Размеры микронеровностей на использованных пластинах были достоверно выше (р <0,001) по отношению к неиспользованным как в зоне контакта им-плантата с костной тканью (внутренняя поверхность пластины), так и в области соприкосновении с мяг-коткаными образованиями (наружная поверхность пластины).
Микробная контаминация поверхностей имплантатов выявлена в 22 исследованиях из 35 (62,8 %) и была представлена монокультурой с превалированием грампозитивной флоры - 19 (86,4 %).
б
Рис. 4. Микрошлиф. «Новая» пластина: а - снаружи (1,4-2,3 мкм); б - изнутри (1,6-2,7 мкм)
а
б
Рис. 5. Микрошлиф. Использованная пластина: а - снаружи (1,8-3,0 мкм); б - изнутри (2,3 - 3,2 мкм)
В микробном пейзаже преобладал S. epidermidis -14 случаев (63,64 %), значительно реже были представлены S. saprophyticus - 5 (22,72 %), E. coli - 2 (9,09 %), Bacillus cereus - 1 (4,55 %).
Во всех случаях степень обсеменённости поверхности имплантатов не превышала «критического числа» и составила ~ 103 KOE/мл.
В большинстве наблюдений (17; 72,3 %) микроорганизмы сохраняли чувствительность к антибиотикам. В 4 случаях (18,2 %) выявлена резистентность S. epidermidis к ванкомицину и линезолиду и умеренная резистентность к ципрофлоксацину и флоксацину. Bacillus cereus была резистентна к р-лактамным антимикробным препаратам, включая цефалоспорины третьего поколения.
Обсуждение результатов исследования
Полученные данные свидетельствуют о достоверных отличиях во внешнем виде и состоянии поверхностей (шероховатости) пластин основной группы и группы сравнения. Выявленные различия являются следствием контакта металла с агрессивными биологическими средами организма.
Имплантация в организм любого чужеродного металла вызывает воспалительную реакцию, которая является выражением защитной и репаративной функции соединительной ткани, направленной на ликвидацию или изоляцию повреждающего агента и восстановление повреждённых тканей [4, 7]. Известно, что активность воспалительного процесса, связанного с имплантируемым материалом, также в значительной степени зависит от физических и физико-химических свойств материала имплантата и его поверхности [1, 6]. Процессы, сопровождающиеся неконтролируемыми изменениями объёмных и поверхностных свойств материалов, могут изменять их биосовместимость [3, 11, 12].
Активация воспалительных клеток (полиморфно-ядерных лейкоцитов, макрофагов) возникает после адгезии клеток к поверхности инородного материала (имплантата) [9, 12, 13]. Процесс активации характеризуется морфологическими и цитоплазматическими изменениями, приводящими к синтезу и высвобождению биологически активных веществ (медиаторов воспаления) [4].
Выявленные увеличения размеров микронеровностей на поверхностях пластин, использованных в целях остеосинтеза, увеличивают риск развития инфекционных осложнений, так как способствуют адгезии воспалительных клеток и бактерий к поверхности имплантатов.
В последние годы существенные изменения произошли в структуре инфекционной заболеваемости. Возбудителями гнойно-воспалительных процессов в большинстве случаев являются условно-патогенные микроорганизмы и их ассоциации, относящиеся к собственной микрофлоре человека, или сапрофиты, обитающие во внешней среде [5, 10].
Доминировавший в посевах S. epidermidis, согласно литературным данным, достаточно часто контами-нирует изделия медицинского назначения, такие как протезы, катетеры, дренажи [1, 2]. Важнейшими факторами вирулентности S. epidermidis считаются гидрофобные свойства поверхности бактериальной клетки, облегчающие адгезию микроба к субстратам, и поверхностный полисахаридный слой, предохраняющий этот возбудитель от действия защитных механизмов макроорганизма [10]. Важное патогенетическое значение имеют компоненты клеточной стенки, стимулирующие развитие воспалительной реакции [5, 10]. Адгезированные бактерии при контакте с кровью способны вызывать локальное образование фибрина, который защищает бактерии от воздействия циркулирующих антител, антибиотиков и фагоцитирующих клеток [5, 9, 12].
Титр колониеобразующих единиц на поверхности имплантатов во всех наблюдениях не превышал «критического числа». Колонизация бактериями поверхности имплантатов не носила драматический характер. Считается [2], что одним из факторов, ограничивающих рост колоний бактерий на поверхности биоматериалов, является десорбция бактерий в объём окружающей имплантат среды и потеря ими активности (бактерии находятся в гипометаболическом состоянии). Однако в отдалённые сроки после операции в результате эндогенной инфекции или травмирования имплантата возможно развитие локального воспалительного процесса, который зачастую расценивается как позднее нагноение неясной этиологии [1, 5].
Результаты проведенных исследований свидетельствуют об актуальности и практической значимости
поиска путей минимизации негативных последствий контакта имплантатов с биологическими тканями. Применение высокоочищенных титановых сплавов, имплантатов с биологически инертными покрытиями будет способствовать снижению риска развития воспалительных осложнений и улучшению качества оперативного лечения переломов. Перспективной, на наш взгляд, является разработка методов фармакологической защиты конструкций для остеосинтеза от агрессивного воздействия биологических сред.
Литература
1. Кузьмин И.И. Патогенетические особенности инфекционного процесса в травматологии и ортопедии // Вестн. травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2000. № 4. С. 67 - 71.
2. Barton A.J., Sagers R.D., Pitt W.G. Measurement of bacterial growth rates on polymers // J. Biomed. Mater. Res. 1996. Vol. 32. P. 271 - 279.
3. Карлов А.В., Хлусов И.А. Зависимость процессов ре-паративного остеогенеза от поверхностных свойств имплантатов для остеосинтеза // Гений ортопедии. 2003. № 3. С. 46 - 51.
4. Шехтер А.Б., Розанова И.Б. Тканевая реакция на имплантат // Биосовместимость / под ред. В.И. Севастьянова. М., 1999. С. 174 - 208.
5. Bose В. Delayed infection after instrumented spine surgery: case reports and review of the literature // Spine. 2003. Vol. 3. P. 394 - 399.
Поступила в редакцию
6. Шубкин Р.Р., Татиатулин Р.Р., Горчаковский В.К., Первышина Е.П. Коррозия имплантатов из титановых сплавов как результат воздействия окружающей среды // Анналы травматологии и ортопедии. 1996. № 2. С. 43 - 44.
7. Пахалюк В.И., Калинин С.И., Олиниченко Г.Д. Биологические реакции на частицы износа, образующиеся в традиционных и альтернативных парах трения при тотальном замещении тазобедренного сустава // Ортопед. травматология. 2003. № 4. С. 162 - 171.
8. McGarry S., Morgan S.J., Grosskreuz R.M., Williams A.E., Smith W.R. Serum titanium levels in individuals undergoing intramedullary femoral nailing with a titanium implant // J. Trauma. 2008. Vol. 64(2). P. 430 - 433.
9. Pesskovа V., Kubiec D., Hulejov H., Himmlovа L. The influence of implant surface properties oncell adhesion and proliferation // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2007. Vol. 18, № 3. P. 465 - 473.
10. Медицинская микробиология / под ред. В.И. Покровского, О.К. Позднеева. М., 1998. С. 183 - 192.
11. Калита В.И., Маланин ДА., Мамаева ВА., Мамаев А.И., Комлев Д.А., Деревянко И.В., Новочадов В.В., Ланцов Ю.А., Сучилин И.А. Модификация поверхностей внутрикостных имплантатов: современные исследования и нанотехнологии // Вестн. ВолГМУ. 2009. Вып. 4 (32). С. 17 - 22.
12. Rodriguez A., Anderson J.M. Evaluation of clinical biomaterial surface effects on T lymphocyte activation // J. Biomed. Mater. Res. A. 2010. Vol. 92, № 1. P. 214 - 220.
13. Okazaki Yoshimitsu, Gotoh Emiko, Manabe Takeshi, Kobayashi Kihei Comparison of metal concentrations in rat tibia tissues with various metallic implants // Biomaterials. 2004. Vol. 25, № 28. Р. 5913 - 5920.
_30 января 2013 г.
