CC BY
128
УДК 616-002-008.953-09
В. Б. Соловьев, М. Г. Федорова, О. Д. Любченко, В. Ф. Татаринов, А. С. Купрюшин
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ЗОНЕ ИМПЛАНТАЦИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация.
Актуальность и цели. Изучение морфологической реакции окружающих тканей на имплантацию образцов инновационных углеродных нанокомпозитов.
Материалы и методы. Образцы углеродсодержащих материалов имплантировали самцам беспородных крыс. Через две и четыре недели образцы извлекали и производили гистологические исследования материала.
Результаты. Установлено, что углеродсодержащие материалы вызывают в месте имплантации воспалительный ответ различной степени выраженности. Через две и четыре недели после проведенной операции воспалительные изменения переходят в стадию пролиферации, которая в зоне имплантации разных материалов протекает также несколько различно.
Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения углеродсодержащих материалов для имплантации в организм человека с целью коррекции имеющихся дефектов. Предполагаемыми областями применения полученного материала являются травматология и хирургия.
Ключевые слова: имплантат, углеродсодержащие материалы.
V. B. Solov'ev, M. G. Fedorova,
O. D. Lyubchenko, V. F. Tatarinov, A. S. Kupryushin
MORPHOLOGICAL CHANGES IN CARBONACEOUS MATERIALS IMPLANTATION AREAS
Abstract.
Background. The article reads about the morphological study of the reaction of the surrounding tissues to the implantation of carbon samples of innovative nanocomposites.
Materials and methods. Samples of carbonaceous materials were implanted into male outbred rats. After 2 and 4 weeks the researchers removed the samples and histologically researched the material.
Results. It was established that the carbon-containing material produces inflammatory response of various severity at the implant site. In 2 and 4 weeks after the surgery the inflammatory changes switch to proliferation, the progress of which in the areas of different materials implantation also varies.
Conclusions. These results suggest the possibility of applying the carbonaceous materials for implantation into the human body for correction of the defects. The obtained material is intended to be used in traumatology and surgery.
Key words: implant, carbonaceous materials.
Введение
Количество хирургических операций, проводимых с использованием имплантатов, в последние годы постоянно увеличивается. Для закрытия де-
фектов во время таких операций в различное время использовались полимеры, соединения на основе углерода, металлы и их сплавы. Однако применение металлических и органических имплантатов имеет ряд существенных недостатков. По данным исследований ОАО «НИИграфит» [1], использование металлических материалов может привести к резорбции костной ткани, из-за усталостных явлений происходит разрушение частей протеза, а гальвано-электрические явления приводят к металлозу окружающих тканей и коррозии деталей. По данным Центрального научно-исследовательского института травмотологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова (ФГУ ЦИТО), недостатком многих современных материалов является образование опасных свободных радикалов, что приводит к интенсификации окислительных процессов в окружающих тканях и, как следствие, ухудшению биосовместимости [2-4].
Требования, предъявляемые к биоматериалам, разнообразны и многогранны, поэтому в каждом отдельном случае необходимо рассматривать конкретное содержание, вкладываемое в понятие биосовместимости применительно к целевому назначению каждого отдельного материала [5].
Таким требованиям в наибольшей степени отвечают материалы на основе углерода, так как в большей мере реализуются биосовместимые, тромборезистентные, поверхностные, усталостные, гальвано-электрические и другие характеристики.
Однако ответом на вопрос о возможности применения конкретного материала должно стать обязательное тестирование готового образца на предмет соответствия требованиям, предъявляемым к материалам для эндопротезирования и имплантации, а именно: совместимость с биологическими средами и стабильное функционирование в месте имплантации [6-8].
Целью настоящей работы стала морфологическая оценка реакции окружающих тканей на имплантацию образцов инновационных углеродных нанокомпозитов
1. Материалы и методы исследования
В эксперименте были исследованы реакции собственных тканей организма на различные виды синтетических имплантатов. Среди используемых материалов были:
- «Войлок» - углеродный войлок, уплотненный пироуглеродом, для операций в области орбиты глаза;
- «Ткань» - углерод-углеродный композиционный материал на основе углеродной ткани;
- «УНДК» - углеродсодержащий материал с двойными карбидами;
- «УНПП» - углеродный нанокомпозит повышенной прочности с применением фуллеренов и нанотрубок.
Эксперимент проводился на здоровых половозрелых беспородных самцах крыс. В работе были использованы 144 десятинедельных животных массой 200-250 г, которые в дальнейшем делились на опытных и контрольных. Образцы были имплантированы в подкожно-жировую клетчатку крыс. Из эксперимента животных выводили методом передозировки эфира через две недели и четыре недели после имплантации.
Имплантат вместе с окружающими тканями помещали в раствор нейтрального формалина. После фиксации и стандартной проводки из каждо-
го фрагмента изготавливали парафиновый блок. С каждого блока получали по пять микропрепаратов, которые окрашивали гематоксилином-эозином и исследовали с помощью микроскопа фирмы «Carl Zeiss» и фотографической насадки «Axioskop».
2. Результаты исследований
Микроскопическое исследование полученных образцов показало следующие изменения окружающих имплантат тканей.
«Войлок»
Через две недели после имплантации в микропрепаратах видны фрагменты имплантата в виде отдельных волокон. В соединительной ткани вокруг волокон содержится умеренное количество лимфоцитов. Встречаются единичные сегментоядерные нейтрофильные лейкоциты и гигантские многоядерные клетки инородных тел. Обнаруживаются новообразованные тонкостенные сосуды. Данная микроскопическая картина говорит о том, что процесс воспаления перешел в стадию пролиферации, т.е. идет заживление операционной раны с образованием вокруг имплантата грануляционной ткани. (рис. 1).
Рис. 1. «Войлок» (две недели). Лимфоциты, лейкоциты, гигантская многоядерная клетка вокруг волокон имплантата. Гематоксилин-эозин, *400
Через четыре недели волокна имплантата окружены большим количеством фибробластов и фиброцитов. Также имеется большое количество толстых коллагеновых волокон, лежащих пучками, но не проникающих между волокнами имплантата. Таким образом, имеется картина активного развития зрелой соединительной ткани вокруг волокон имплантата (рис. 2).
Рис. 2. «Войлок» (четыре недели). Соединительная ткань, окружающая имплантат.
Гематоксилин-эозин, *100
«Ткань»
Через две недели в микропрепаратах видны грубоволокнистые фрагменты тканевого имплантата, окруженные рыхлой волокнистой соединительной тканью. В соединительной ткани встречается умеренное количество лимфоцитов и нейтрофильных лейкоцитов. Большое количество тонкостенных сосудов. Такая картина говорит о переходе экссудативной фазы воспаления в пролиферативную и о развитии грануляционной ткани (рис. 3).
Через четыре недели вокруг тканевого имплантата также содержится большое количество фибробластов и фиброцитов и толстых коллагеновых волокон. Часть собственных волокон проникает в структуру ткани, но большая часть фрагментов ткани лежит в своеобразных пустотах, окруженных волокнистой тканью, т.е. имеется картина развития соединительной ткани на месте воспалительной реакции и начало «приживления» имплантата (рис. 4).
«УНДК»
Через две недели в данных микропрепаратах в окружающей имплантат соединительной ткани содержатся лимфоциты в умеренном количестве. Нейтрофильные лейкоциты и гигантские клетки инородных тел не встречаются. Имеется умеренное количество новообразованных сосудов. В данном случае получена картина пролиферативной фазы воспаления с развитием грануляционной ткани (рис. 5).
Через четыре недели клетки соединительной ткани - фибробласты и фиброциты - встречаются в умеренном количестве. Коллагеновые волокна образуют разнонаправленные пучки без четкой ориентации. Грануляционная ткань превращается в зрелую соединительную ткань (рис. 6).
Рис. 3. «Ткань» (две недели). Сосуды в зоне операции. Гематоксилин-эозин, *100
Рис. 4. «Ткань» (четыре недели). Проникновение соединительной ткани между волокнами имплантата. Гематоксилин-эозин, *100
«УНПП»
При использовании данного материала в окружающей его соединительной ткани через две недели содержится незначительное число лимфоцитов и небольшое количество новообразованных сосудов. Нейтрофильные лейкоциты и гигантские клетки инородных тел отсутствуют. Такая картина говорит о слабом воспалительном ответе окружающих тканей на имплантат (рис. 7).
Рис. 5. «УНДК» (две недели). Умеренное количество новообразованных сосудов.
Гематоксилин-эозин, *100
Рис. 6. «УНДК» (четыре недели). Грубоволокнистая соединительная ткань в зоне операции. Гематоксилин-эозин, *100
Через четыре недели в тканях, окружающих данный препарат, имеется умеренное количество фибробластов и фиброцитов. Коллагеновые и эластические волокна содержатся примерно в равных количествах и располагаются хаотично. Вокруг данного имплантата формируется рыхлая соединительная ткань (рис. 8).
Рис. 7. «УНПП» (две недели). Небольшое количество клеток лимфоидного ряда в зоне имплантации. Гематоксилин-эозин, *400
Рис. 8. «УНПП» (четыре недели). Разнонаправленные пучки коллагеновых и эластических волокон в зоне имплантации. Гематоксилин-эозин, *100
Заключение
При имплантации материала «Войлок» на первых стадиях эксперимента в зоне операции развивалась типичная воспалительная реакция с переходом экссудативной фазы в пролиферативную и развитием молодой соединительной ткани, содержащей умеренное количество новообразованных сосудов.
Имплантат «Ткань» на начальных этапах эксперимента также вызывает воспалительный ответ, являющийся нормальной реакцией на операцию. В более поздние сроки происходит переход фазы экссудации в фазу пролиферации, которая планомерно завершается заживлением. Через неделю после операции имплантат «Ткань» уже окружен достаточно плотной, сформированной соединительной тканью. Такая картина говорит о хорошем прогнозе для возможности использования данного имплантата в хирургии.
Имплантат «УНДК» вызывает в окружающих тканях умеренно выраженное экссудативное воспаление, которое на более поздних стадиях сменяется фазой пролиферации с активным ростом молодой соединительной ткани и обширного сосудистого русла. Имплантат «УНДК» через месяц после операции также окружен достаточно плотной соединительной тканью. Реакция окружающих тканей на данный вид имплантата закономерна и позволяет говорить о хороших перспективах его использования.
Имплантат «УНПП» вызывает развитие воспалительного ответа незначительной степени выраженности. Такая реакция не приводит к отторжению имплантата, но в дальнейшем фаза пролиферации также течет вяло. Количество образующихся сосудов и волокон молодой соединительной ткани оказывается не таким значительным, как при использовании других имплантатов. Соответственно, формирующаяся соединительная ткань оказывается более рыхлой, чем в предыдущих случаях.
Список литературы
1. Анализ передовых достижений в области создания и применения углеродных материалов в медицине : отчет о научно-исследовательской работе. - Пенза, 2012. -99 с.
2. Трибохимический компонент развития окислительного стресса при имплантации искусственных суставов / В. Г. Булгаков, Н. С. Гаврюшенко, А. Н. Шальнев, В. Ф. Цепалов // Вестник травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова. - 2010. -№ 1. - Ч. 1. Определение радикалообразующей способности частиц износа различных ортопедических материалов.
3. Трибохимический компонент развития окислительного стресса при имплантации искусственных суставов / В. Г. Булгаков, Н. С. Гаврюшенко, А. Н. Шальнев, В. Ф. Цепалов // Вестник травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова. - 2010. -№ 3. - Ч. 2. Проокислительный и антипролиферативный эффект частиц износа ортопедических материалов.
4. Doumas, B. T. et al. // Clin. Chim. Acta. - 1971. - Vol. 31. - P. 87.
5. Биомедицинское материаловедение : учеб. пособие для вузов / С. П. Вихров, Т. А. Холомина, П. И. Бегун, П. Н. Афонин. - М., 2006.
6. Лякишев, Н. П. Конструкционные функциональные материалы. Настоящее и будущее / Н. П. Лякишев // ВНН. Современное материаловедение. XXI век. -Киев : Наукова думка, 1998.
7. Клинико-морфологическое обоснование ксенопластики вентральных грыж / В. И. Никольский, О. В. Калмин, Е. В. Титова, А. А. Венедиктов, М. Г. Федорова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. -2012. - № 1 (21). - С. 11-18.
8. Reitman, S., S. Frankel, J. Amer // Clin. Pathol. - 1957. - Vol. 28. - P. 56.
References
1. Analiz peredovykh dostizheniy v oblasti sozdaniya i primeneniya uglerodnykh ma-terialov v meditsine: otchet o nauchno-issledovatel'skoy rabote [Analysis of advanced
achievements in design and application of materials in medicine: report on research work], Penza, 2012, 99 p.
2. Bulgakov V. G., Gavryushenko N. S., Shal'nev A. N., Tsepalov V. F. Vestnik travma-tologii i ortopedii im. N. N. Priorova. Ch. 1. Opredelenie radikaloobrazuyushchey sposobnosti chastits iznosa razlichnykh ortopedicheskikh materialov [Bulletin of traumatology and orthopedics named after N.N. Priorov. Part 1. Determination of radical-forming ability of wear fragments of various orthopedic materials]. 2010, no. 1.
3. Bulgakov V. G., Gavryushenko N. S., Shal'nev A. N., Tsepalov V. F. Vestnik travma-tologii i ortopedii im. N. N. Priorova. Ch. 2. Prookislitel'nyy i antiproliferativnyy effekt chastits iznosa ortopedicheskikh materialov [Bulletin of traumatology and orthopedics named after N.N. Priorov. Part 2. Oxidizing and antioxidizing effect of wear fragments of orthopedic materials]. 2010, no. 3.
4. Doumas B. T. et al. Clin. Chim. Acta. 1971, vol. 31, p. 87.
5. Vikhrov S. P., Kholomina T. A., Begun P. I., Afonin P. N. Biomeditsinskoe materi-alovedenie: ucheb. posobie dlya vuzov [Biomedical materials science: tutorial for universities]. Moscow: Goryachaya liniya-Telekom, 2006.
6. Lyakishev N. P. VNN. Sovremennoe materialovedenie. XXI vek. [Modern materials sciences. XXI century]. Kiev: Naukova dumka, 1998.
7. Nikol'sky V. I., Kalmin O. V., Titova E. V., Venediktov A. A., Fedorova M. G. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Meditsinskie nauki [University proceedings. Volga region. Medical sciences]. 2012, no. 1 (21), pp. 11-18.
8. Reitman S., Frankel S., Amer J. Clin. Pathol. 1957, vol. 28, p. 56.
Соловьев Владимир Борисович
доктор биологических наук, профессор, кафедра биохимии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Федорова Мария Геннадьевна
кандидат медицинских наук, доцент, кафедра клинической морфологии и судебной медицины с курсом онкологии, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Любченко Олеся Дмитриевна
студентка, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Татаринов Валерий Федорович управляющий, ООО «Мединж-Пироуглерод» (Россия, г. Пенза, ул. Центральная, 1)
E-mail: [email protected]
Solov'ev Vladimir Borisovich Doctor of biological sciences, professor, sub-department of biochemistry,
Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Fedorova Mariya Gennad'evna Candidate of medical sciences, associate professor, sub-department of clinical morphology and forensic medicine with the course of oncology, Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Lyubchenko Olesya Dmitrievna
Student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Tatarinov Valeriy Fedorovich Manager, “Medeng-Pirouglerod” Ltd. (1 Tsentralnaya street, Penza, Russia)
Купрюшин Алексей Степанович
кандидат медицинских наук, доцент, заведующий кафедрой клинической морфологии и судебной медицины с курсом онкологии, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
УДК 616-002-008.953-09 Соловьев, В. Б.
Морфологические изменения в зоне имплантации углеродсодержащих материалов / В. Б. Соловьев, М. Г. Федорова, О. Д. Любченко, В. Ф. Татаринов, А. С. Купрюшин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2014. - № 1 (29). - С. 27-36.
Kupryushin Aleksey Stepanovich Candidate of medical sciences, associate professor, head of clinical morphology and forensic medicine with the course of oncology, Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
