CC BY
22
ВЕСТНИК НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ - 2022 - Т. 29, № 1 - С. 59-62
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 1 - P. 59-62
УДК: 616.716.8-089.844-07-073.75 DOI: 10.24412/1609-2163-2022-1-59-62
КЛИНИКО-ЛАБОРАТОРНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ЧЕЛЮСТНОЙ КОСТНОЙ ТКАНИ И ОСТЕОПЛАСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ДАННЫМ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОГО МИКРОАНАЛИЗА
Н.С. МОИСЕЕВА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный медицинский университет имени Н.Н. Бурденко» Министерства здравоохранения Российской Федерации, ул. Проспект Революции, д. 14, г. Воронеж, 394036, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. Введение. В настоящее время значительная распространенность костно-деструктивных изменений альвеолярного гребня в хирургической стоматологии представляет серьезную проблему. Несмотря на имеющиеся достижения хирургической стоматологии, недостаточно изучены их морфо-химические особенности, а также варианты регулирования остеоге-неза, от которых зависят сроки регенерации костной ткани, что объясняет целесообразность дальнейших исследований свойств остеопластических материалов. Целью исследования явился клинико-лабораторный анализ и сравнительная характеристика элементного состава остеопластических материалов различных нозологических групп по данным рентгеноспектрального микроанализа. Материалы и методы исследования. С помощью рентгеноспектрального микроанализа определен элементный анализ образцов челюстной кости и исследуемых остеопластических материалов. Результаты и их обсуждение. Проведенный детальный анализ химического состава человеческой костной ткани и остеопластических материалов показал более схожий элементный состав с ксеногенным материалом, однако применение синтетического материала за счет более высокого содержания минеральной составляющей и отсутствия органического компонента, способного вызвать аллергическую реакцию, делает синтетический остеопластический материал более перспективным в плане возможности дальнейшего усовершенствования его физико-химической структуры.
Ключевые слова: метаболизм костной ткани, остеопластические материалы, рентгеноспектральный микроанализ, химические свойства, профилактика атрофии челюстной кости.
CLINICAL AND LABORATORY ANALYSIS OF THE ELEMENTAL COMPOSITION OF THE JAW BONE AND OSTEOPLASTIC MATERIALS ACCORDING TO X-RAY SPECTRAL MICROANALYSIS
N.S. MOISEEVA
The Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko" of the Ministry of Public Health of the Russian Federation, Str. Avenue of Revolution, 14, Voronezh, 394036,
Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. Introduction. Currently, the significant prevalence of jawbone defects in dental surgery is a serious problem. Despite the existing achievements in surgical dentistry, their morph-chemical features, as well as approaches for osteogenesis regulating, on which the regeneration period in bone tissue cells depend, are insufficiently studied, which promote further investigations of the osteoplastic materials properties. The aim of the study was clinical and laboratory analysis and comparative characteristics of the elemental composition of osteoplastic materials in various etiological groups according to the X-ray spectral microanalysis. Materials and research methods. Elemental analysis of the jawbone samples and the studied osteoplastic materials was determined using X-ray spectral microanalysis. Results and its discussion. A detailed X-ray analysis of human jawbone proved more similar chemical composition with xenogenic material; however, the use of synthetic material due to the absence of an organic component, that can cause an allergy, makes it more perspective in terms of the further improvement of its physical and chemical structure.
Key words: alveolar bone ion exchange processes, osteoplastic materials, X-ray microanalysis, chemical properties, prevention of jawbone atrophy.
Актуальность. В современной хирургической стоматологии серьезную проблему представляет значительная распространенность костно-деструктив-ных изменений альвеолярного гребня. Решение данной задачи заключается в профилактике атрофии и регенерации костной ткани альвеолярного гребня [1,3]. На актуальность данных исследований указывают сведения зарубежных источников на портале PubMed^. всего 52853 публикаций, по регенерации костной ткани - 7211, профилактике атрофии костной ткани - 2352. Современные исследования показывают перспективность использования остеопластических материалов для замещения дентоальвео-лярных дефектов. Процесс остеогенеза происходит
при участии биологически активных материалов в метаболизме костной ткани. Основополагающим является воспроизведение химического и фазового состава минеральной части кости, включающей минеральную (70%, из них фосфаты кальция - 85%, карбонат кальция - 10%, фосфат магния - 1,5%, фтористый кальций - 0,3%) и органическую составляющую (22%), воду (8%) [3-8].
Человеческая костная ткань представлена соединительной тканью со значительной минерализацией межклеточного органического вещества, включая 70% неорганических соединений; порядка 30 микроэлементов: Mg, ^, Ba, Zn, участвующих в метаболических процессах. Органическая составляющая
костной ткани включает коллаген 1-У типов и белки: остеокальцин, фибронектин; гликозаминогликаны: хондроитин-сульфат, гиалуроновую кислоту; ли-пиды, органические кислоты [4,5].
По данным Герк С.А. (2015) в составе минерального матрикса кроме Са и Р присутствуют микроэлементы: Mn, Си, F, Si (активаторы костной минерализации); Be, Fe, Sr (ингибиторы костной минерализации); Mg, Ba, Zn (активаторы костной резорбции); Си, Mn, Si, Zn (принимают участие в синтезе органических веществ); Mg, Zn, Be (активаторы костных клеток) и Mo (ингибитор костных клеток). При повышении резорбции костной ткани Са и Р поступают в кровь, однако их концентрация в крови остается стабильной 2,1-2,5 ммоль/л и 1-1,5 ммоль/л соответственно. В составе костной ткани присутствует магний и натрий. Минеральную составляющую костной ткани составляют кристаллы апатитов, участвующие в метаболизме. Состав гидроксиапатита -Саю(РС)4)6(ОН)2, молярный кальциево-фосфатный коэффициент Са/Р=1,67, однако величина Са/Р может быть вариабельна 1,33-2,0 из-за возможности замены ионов кристаллической решетки апатитов другими ионами [1,3-6].
Содержание кальция и фосфата является взаимосвязанной системой внеклеточной жидкости, при повышении уровня кальция возрастает активность минерализации, уменьшается содержание фосфатов, а при снижении кальция и возрастании фосфата преобладает деминерализация. Гидроксиапатит обеспечивает присутствие кальция, а также активизирует остеогенез и биосовместимость, высокую прочность и упругость костной ткани, а рост кристаллов апатита способствует образованию неорганической фазы кости [4-6]. Несмотря на имеющийся эталон - аутогенную кость, не имеющую иммунологического конфликта, в настоящее время широко применяются ауто-, алло- и ксеноматериалы для аугментации челюстных дефектов. Эффективность реконструкции альвеолярного гребня с применением остеопласти-ческих материалов в значительной степени зависит от исходных локальных и системных условий и индивидуального подхода к лечению и профилактике челюстных дефектов, а также определяется видом остеопластического материала. Протокол оперативного вмешательства зависит от конкретной клинической ситуации и индивидуального подхода к выбору замещающего материала [5 -9]. Несмотря на имеющиеся достижения хирургической стоматологии недостаточно изучены морфо-химические особенности остеопластических материалов, что объясняет целесообразность их дальнейшего исследования.
Цель исследования - клинико-лабораторный анализ и сравнительная характеристика элементного состава остеопластических материалов различных
нозологических групп по данным рентгеноспек-трального микроанализа.
Материалы и методы исследования. На базе кафедры хирургической стоматологии Института Стоматологии ВГМУ им. Н.Н. Бурденко согласно обозначенной цели исследования были изучены: нижнечелюстная костная ткань человека, забор которой произведен в результате удаления третьего моляра по поводу диагноза К07.3. Получено добровольное согласие пациента на забор материала для дальнейшего исследования; ксеногенный материал Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия) представлен в виде гранул гидроксиапатита (гидроксид-[трис]фосфат пентакальция) размером 0,5-1 мм; синтетический материал Maxresorb (Botiss Dental, Германия), состоящий на 60% из гидроксиапатита и на 40% из бета-три-кальций фосфата с гранулами размером 0,5-1,5 мм.
При помощи рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) определен элементный анализ образцов остеопластических материалов с применением электронного микроскопа JSM-6510LVJEOL (Япония) в комплекте с приставкой-спектрометром Bruker XFlash 5010 (Германия). Метод позволяет осуществить выбор точек на изображении для последующего автоматического анализа химического состава.
Статистическую обработку проводили, используя стандартный пакет прикладных программ STATISTICA 8.0 фирмы Statsoft Inc., определяли: среднее значение, стандартную ошибку среднего, минимальные и максимальные значения, для проведения сравнительного анализа применяли критерий Kruskal-Wallis и медианный тест [2], значимыми принимали различия при p<0,05.
Результаты и их обсуждение. При рентгено-спектральном микроанализе получены данные элементного химического состава образцов исследуемых остеопластических материалов; установлен элементный состав при сравнительной характеристике исследуемых материалов (рис. 1-3* и в табл. 1-3).
Таблица 1
Распределение химических элементов образца человеческой костной ткани
Представленный в табл. 1 и на рис. 1 количественный элементный химический анализ показал, что основными химическими элементами в составе человеческой кости являются кальций (17,35%) и фосфор (7,61%) в виде кристаллов-апатитов и аморфных солей, формирующих минеральную основу и
Элемент С N О Na Mg Al Si P S Cl Ca Всего
Весовой, % 31,30 7,63 34,70 0,49 0,15 0,50 0,03 7,61 0,05 0,19 17,35 100,00
Атомный, % 43,06 9,00 35,83 0,36 0,10 0,31 0,01 4,06 0,02 0,10 7,15 100,00
Ошибка, % 3,40 1,10 3,80 0,10 0,00 0,00 0,00 0,30 0,00 0,00 0,50
*
Рисунки данной статьи представлены на обложке 4
6Q
обеспечивающих механическую прочность, а углерод (31,30%) и кислород (34,70%) обеспечивают органическую составляющую костной ткани и участвуют в энергетическом обмене клеточного обновления. У образца выявлено определенное количество азота (7,63%), что связано с присутствием белковых остатков органического матрикса костного апатита. Небольшое количество магния (0,15%) регулирует минерализацию, рост, гибкость и прочностные свойства костной ткани, а также репаративные свойства кости, улучшает костную микроархитектуру и увеличивает минеральную плотность костной ткани. При снижении соотношения магний-кальций в сторону дефицита магния обменные процессы в кости замедляются, способствуя депонированию токсичных металлов (свинец и кадмий). Содержанием алюминия (0,50%) обосновано его участие в регенерации костной ткани; принимает участие в образовании белковых и фосфатных соединений. В исследуемом образце натрий (0,49%) обеспечивает регуляцию клеточного обмена метаболитов, транспорт аминокислот, различных неорганических и органических анионов через мембраны клеток. Около 40% натрия находится в костной ткани, в тканях представлен ионизированной формой, в соединительной ткани частично связан с кислыми гликозаминогликанами.
Таблица 2
Распределение химических элементов образца материала Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия)
Элемент С О Na Mg Al Si P Cl Ca Всего
Весовой,% 6,56 52,23 0,10 0,64 0,06 0,09 12,10 0,07 28,15 100,0
Атом-ный,% 11,0 6 66,04 0,08 0,54 0,05 0,07 7,90 0,05 14,21 100,0
Ошибка, % 1,00 6,30 0,00 0,10 0,00 0,00 0,50 0,00 0,90
В табл. 2 и на рис. 2 количественный элементный анализ констатирует наличие кальция (28,15%) и фосфора (12,10%) в составе Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия), формирующих минеральную основу материала и обеспечивающих механическую прочность, а присутствие незначительного количества углерода (6,56%) свидетельствует о наличии органической составляющей, что влияет на остеоиндуктивные свойства материала; кислород (52,23%) обеспечивает участие в энергетическом обмене клеточного обновления; магний (0,64%) участвует в минерализации костной ткани; алюминий (0,06%) участвует в регенерации кости; натрий (0,10%) обеспечивает регуляцию клеточного обмена метаболитов.
Таблица 3
Распределение химических элементов образца материала Maxresorb (Botiss Dental, Германия)
Элемент С О Mg Al Si P Ca Всего
Весовой,% 2,85 33,10 0,18 0,16 0,03 16,30 47,38 100,0
Атомный, % 5,89 51,34 0,19 0,15 0,02 13,06 29,35 100,0
Ошибка, % 0,40 3,20 0,00 0,00 0,00 0,50 1,20
Представленный в табл. 3 и на рис. 3 количественный элементный анализ констатирует наличие кальция (47,38%) и фосфора (16,30%) в составе Maxresorb (Botiss Dental, Германия), обеспечивающих механическую прочность, а присутствие углерода (2,85%) свидетельствует о наличии органической составляющей, что оказывает влияние на остеоиндуктивные свойства материала; присутствие кислорода (33,10%) обеспечивает участие в энергетическом обмене клеточного обновления; магний (0,18%) участвует в минерализации костной ткани; алюминий (0,16%) участвует в регенерации кости.
Выводы. Сравнительный рентгеноспектраль-ный микроанализ на основные компоненты (Ca, P) костной ткани и остеопластических материалов показал следующие результаты (табл. 1-3): в образцах костной ткани соотношение Са/Р в весовых и атомарных процентах составило 2,28 вес.% и 1,76 атом.% соответственно; в образцах остеопластического материала Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия) соотношение Са/Р = 2,33 в вес.%, 1,80 - в атом.%; в образцах остеопластического материала Maxresorb (Botiss Dental, Германия) соотношение Са/Р = 2,90 в вес.%, 2,25 атом.%. РСМА образцов костной ткани человека и остеопластических материалов показал схожее соотношение Са/Р и незначительное отличие с преобладанием минеральной составляющей в синтетическом материале Maxresorb (Botiss Dental, Германия) в 1,3 раза. По данным результатов РСМА содержание углерода в образце человеческой кости значительно выше, чем в остеопластическом материале Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия) в 4,7 раз и Maxresorb (Botiss Dental, Германия) в 11 раз, а содержание кислорода в синтетическом материале Maxresorb (Botiss Dental, Германия) ниже, чем в ксеногенном материале Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия) в 1,58 раза и человеческой кости в 1,5 раза соответственно (табл. 1-3; рис. 1-3). Сравнительный РСМА анализ констатировал набольшее содержание магния в материале животного происхождения Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия) по сравнению с образцом человеческой кости в 4,3 раза и в 3,6 раза больше, чем в синтетическом материале Maxresorb (Botiss Dental, Германия). Наибольшее количество алюминия содержится в образце человеческой кости по сравнению с остеопластическими материалами Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия) и Maxresorb (Botiss Dental, Германия) в 8,3 раз и в 3,1 раза соответственно. Наибольшее количество натрия выявлено в образце человеческой кости по сравнению с остеопластиче-ским материалом Bego Oss (Biomaterials GmbH, Германия) в 4,9 раза, в синтетическом материале Maxresorb (Botiss Dental, Германия) натрий не выявлен.
Результаты рентгеноспектрального микроанализа показали, что ксеногенный материал имеет схожий элементный состав с тканями челюстной кости человека, что обосновывает эффективность его при-
ВЕСТНИК НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ - 2022 - Т. 29, № 1 - С. 59-62
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 1 - P. 59-62
менения с целью оптимизации процессов остеорепа-рации, но возможность развития иммунологического ответа приводит к ограничениям в использовании, в отличие от синтетического материала, который обеспечивает высокую биосовместимость и резорбируе-мость, однако отсутствие остеоиндуктивных свойств может замедлять репаративный остеогенез. Определение факторов прогрессирования деструкции альвеолярного гребня является ключевым моментом ее успешного мониторинга и индивидуального подхода к лечению. Этот постулат является неотъемлемым принципом персонализированной медицины, который должен прогнозировать развитие заболевания и предотвращать его, обеспечивая лечение, адаптированное к конкретному человеку. Полученные результаты позволяют повысить качество лечения дефектов альвеолярного отростка за счет повышения регенеративного потенциала костной ткани при индивидуальном подходе к лечению.
Литература / References
1. Андреев А.А., Степанов И.В., Хрячков В.И., Ходорковский М.М., Подопригора А.В., Моисеева Н.С. Оценка остаточной микрофлоры у пациентов с воспалительными заболеваниями челюстно-лицевой области // Прикладные информационные аспекты медицины. 2020. Т. 23, № 3. С. 39-45 / Andreev AA, Stepanov IV, Khryachkov VI, Khodorkovskiy MM, Podoprigora AV, Moiseeva NS. Otsenka ostatochnoy mikroflory u patsientov s vospalitel'nymi zabolevaniyami chelyustno-litsevoy oblasti [Assessment of residual microflora in patients with inflammatory diseases of the maxillofacial region]. Prikladnye informatsionnye aspekty meditsiny. 2020;23(3):39-45. Russian.
2. Гланц С. Биомедицинская статистика. Москва: Практика, 1998 / Glants S. Biomeditsinskaya statistika [Biomedical statistics]. Moscow: Praktika; 1998. Russian.
3. Моисеева Н.С., Харитонов Д.Ю., Харитонов И.Д., Степанов И.В., Подопригора А.В. Клинико-лабораторная оценка морфологических параметров остеопластических материалов, применяемых при костной аугментации альвеолярного отростка // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. 2021. №4. Публикация 1-3. URL: http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2021-4/1-3.pdf (дата обращения 19.07.2021). DOI: 10.24412/2075-4094-2021-4-13 / Moiseeva NS, Kharitonov Dyu, Kharitonov ID, Stepanov IV, Podoprigora AV. Kliniko-laboratornaja ocenka morfologicheskih parametrov oste-oplasticheskih materialov, primenjaemyh pri kostnoj augmentacii al've-oljarnogo otrostka [Clinical and laboratory evaluation of morphological parameters in osteoplastic materials used in alveolar bone augmentation]. Journal of New Medical Technologies, e-edition. 2021 [cited 2021 July 19];4 [about 6 p.]. Russian. Available from:
http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2021-4/1-3.pdf. DOI: 10.24412/2075-4094-2021-4-1-3.
4. Харитонов Д.Ю., Дмитриев В.В., Степанов И.В., Подопригора А.В., Моисеева Н.С., Щербинин А.С. Опыт востановления анатомического положения суставной головки при многооскольчатых переломах ветви нижней челюсти // Вестник новых медицинских технологий. 2019. №1. C. 19-21. DOI: 10.24411/1609-2163-2019-16249 / Kharitonov DYu, Dmitriev VV, Stepanov IV, Podoprigora AV, Moiseeva NS, Shcherbinin AS. Opyt vostanovleniya anato-micheskogo polozheniya sustavnoy golovki pri mnogooskol'chatykh perelomakh vetvi nizhney chelyusti [The experience of restoration of the anatomical position of the articular head in multiple segmented fractures of ramus of the lower jaw]. Journal of New Medical Technologies. 2019;1:19-21. DOI: 10.24411/1609-2163-2019-16249. Russian.
5. Харитонов И.Д., Моисеева Н.С. Применение остеопластиче-ских материалов при костно-деструктивных изменениях альвеолярного отростка в хирургической стоматологии // Молодежный инновационный вестник. 2021. Т. 10, №1. С. 431-436 / Kharitonov ID, Moi-seeva NS. Primenenie osteoplasticheskikh materialov pri kostno-destruktivnykh izmeneniyakh al'veolyarno-go otrostka v khirurgicheskoy stomatologii [The use of osteoplastic materials for bone-destructive changes in the alveolar process in surgical dentistry]. Molodezhnyy innovatsionnyy vestnik. 2021;10(1):431-6. Russian.
6. Харитонов Д.Ю., Азарова Е.А., Азарова О.А. Оптимизация хирургического лечения амбулаторных пациентов стоматологического профиля с грануляционным периодонтитом // Научно-медицинский вестник Центрального Черноземья. 2017. № 69. С. 7-10 / Kharitonov DYu, Azarova EA, Azarova OA. Optimizatsiya khirur-gicheskogo lecheniya ambulatornykh patsientov stomatologicheskogo profilya s granulyatsionnym periodontitom [Optimization of surgical treatment of dental outpatients with granulation periodontitis]. Nauchno-meditsinskiy vestnik Tsentral'nogo Chernozem'ya. 2017;69:7-10. Russian.
7. Di Raimondo R., Sanz-Esporrin J., Pla R., Sanz-Martin I., Luengo F., Vignoletti F., Nunez J., Sanz M. Alveolar crest contour changes after guided bone regeneration using different biomaterials: an experimental in vivo investigation // Clin Oral Investig. 2020. Vol. 24, N7. P. 2351-2361. DOI: 10.1007/s00784-019-03092-8 / Di Raimondo R, Sanz-Esporrin J, Pla R, Sanz-Martin I, Luengo F, Vignoletti F, Nunez J, Sanz M. Alveolar crest contour changes after guided bone regeneration using different biomaterials: an experimental in vivo investigation. Clin Oral In-vestig. 2020;24(7):2351-61. DOI: 10.1007/s00784-019-03092-8.
8. Gruber R. Osteoimmunology: Inflammatory osteolysis and regeneration of the alveolar bone // J Clin Periodontol. 2019. Vol. 46, Suppl 21. P. 52-69. DOI: 10.1111/jcpe.13056. PMID: 30623453 / Gruber R. Oste-oimmunology: Inflammatory osteolysis and regeneration of the alveolar bone. J Clin Periodontol. 2019;46(21):52-69. DOI: 10.1111/jcpe.13056.
9. Urban I.A., Monje A. Guided Bone Regeneration in Alveolar Bone Reconstruction // Oral Maxillofac Surg Clin North Am. 2019. Vol. 31, N2. P. 331-338. DOI: 10.1016/j.coms.2019.01.003. PMID: 30947850 / Urban IA, Monje A. Guided Bone Regeneration in Alveolar Bone Reconstruction. Oral Maxillofac Surg Clin North Am. 2019;31(2):331-8. DOI: 10.1016/j.coms.2019.01.003. PMID: 30947850.
Библиографическая ссылка:
Моисеева Н.С. Клинико-лабораторный анализ элементного состава челюстной костной ткани и остеопластических материалов по данным рентгеноспектрального микроанализа // Вестник новых медицинских технологий. 2022. №1. С. 59-62. DOI: 10.24412/1609-2163-2022-1-59-62.
Bibliographic reference:
Moiseeva NS. Kliniko-laboratornyy analiz elementnogo sostava chelyustnoy kostnoy tkani i osteoplasticheskikh materialov po dannym rent-genospektral'nogo mikroanaliza [Clinical and laboratory analysis of the elemental composition of the jaw bone and osteoplastic materials according to X-ray spectral microanalysis]. Journal of New Medical Technologies. 2022;1:59-62. DOI: 10.24412/1609-21632022-1-59-62. Russian.
