CC BY
36
УДК 616.71-003.93
О. В. Калмин, М. А. Розен, Д. В. Никишин
ОСОБЕННОСТИ ОСТЕОГЕНЕЗА ПРИ ВЖИВЛЕНИИ ТИТАНОВОГО ИМПЛАНТАТА, ПОДВЕРГШЕГОСЯ МИКРОДУГОВОМУ ОКСИДИРОВАНИЮ В ЩЕЛОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ, СОДЕРЖАЩИХ Ca И P,
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ «КоллапАн-гель» И БЕЗ НЕГО
Аннотация. Актуальность и цели: сравнительное изучение особенностей ре-паративных процессов в костной ткани при установке титановых имплантатов, подвергшихся пескоструйной обработке с последующим микродуговым оксидированием в щелочных электролитах, содержащих Ca и P, с использованием остеоиндуктивного препарата и без использования данного препарата. Материалы и методы. Гистологическими методами изучены образцы тканей из области установки титанового имплантата от 24 половозрелых кроликов с использованием остеоиндуктивного препарата и без него через 7, 14, 28, 56 и 112 сут. после операции. Результаты. Выявлено, что вживление титанового имплантата, подвергшегося микродуговому оксидированию в щелочных электролитах, содержащих Са и Р, без использования остеоиндуктивного препарата приводит к слабо выраженному воспалительному ответу и процессы образования костной ткани занимают более длительный период времени. Использование идентичных имплантатов совместно с остеоиндуктивным препаратом «КоллапАн-гель» приводило к менее выраженной воспалительной реакции и более активным процессам остеогенеза. Выводы. Использование титановых имплантатов, подвергшихся пескоструйной обработке с последующим мик-родуговым оксидированием в щелочных электролитах, содержащих Са и Р, наиболее оптимально сочетать с остеоиндуктивными препаратами, вследствие получения наилучших клинических результатов, а также отмечаются более короткие сроки восстановления костной ткани.
Ключевые слова: остеогенез, титановый имплантат, морфологическая реакция.
O. V. Kalmin, M. A. Rozen, D. V. Nikishin
FEATURES OF OSTEOGENESIS IN THE IMPLANTATION OF TITANIUM IMPLANTS SUBJECT TO MICRO-ARC OXIDATION IN ALKALINE ELECTROLYTES CONTAINING Ca AND P USING THE «CollapAn-gel» AND WITHOUT
Abstract. Background: comparative study of the features of reparative processes in the bone during installation of titanium implants with sandblasted exposed microarc subsequent oxidation in alkaline electrolytes containing Ca and P, with the osteoinductive preparation and without. Materials and methods. Histologically are examined 24adult rabbits tissue samples from the body area of titanium implant with osteoinductive preparation and without 7, 14, 28, 56 and 112 days after operation. Results. It is revealed that the implantation of titanium implants subjected to micro-arc oxidation in alkaline electrolytes containing Ca and P and without the use of osteoinductive drug leads to poorly pronounced inflammatory response and the processes of bone formation takes a longer period of time. The usage of identical implants
with osteoinductive preparation "CollapAn-gel" led to a less pronounced inflammatory response and a more active process of bone formation. Conclusion. The use of titanium implants subject to sandblasted microarc oxidation in alkaline electrolytes containing Ca and P can be effectively combined with osteoinductive agents to get the best clinical outcomes and achieve shorter bone restoration terms.
Key words: osteogenesis, a titanium implant, morphological reaction.
Введение
В связи с активным внедрением инновационных технологий в медицину все чаще используется эндопротезирование. В связи с этим особую актуальность приобретает изучение закономерностей процессов интеграции между костной тканью и имплантатом [1-4].
Развитие имплантации связано с проблемой достижения надежной фиксации имплантата в костной ткани, т.е. остеоинтеграции путем совершенствования внутрикостной части металлических конструкций [5, 6]. Ряд исследований посвящен вопросам создания и совершенствования мезо- и су-праструктур имплантационных систем, и в этом направлении достигнуто немало успехов [7-9].
Но, несмотря на активную разработку и усовершенствование методов обработки поверхности имплантатов, нельзя забывать о том, что костная ткань, окружающая имплантат, является живой тканью, и, как следствие, необходимо создавать наиболее благоприятные условия для ее нормального функционирования.
В связи с этим целью данного исследования явилось сравнительное изучение особенностей репаративных процессов в костной ткани при установке титановых имплантатов, подвергшихся пескоструйной обработке с последующим микродуговым оксидированием в щелочных электролитах, содержащих Са и Р, с использованием остеоиндуктивного препарата и без его использования.
Материалы и методы исследования
Было проведено экспериментальное исследование на 24 половозрелых кроликах породы шиншилла массой около 3,5 кг. Каждому животному в диа-физы бедренных костей устанавливались винтовые конические имплантаты, подвергшиеся пескоструйной обработке с последующим микродуговым оксидированием в щелочных электролитах, содержащих Ca и P. Все экспериментальные животные были разделены на две равные группы. В первой группе имплантаты устанавливались без использования остеоиндуктивного препарата. Во второй группе фрезевое отверстие первоначально обрабатывалось остеоиндуктивным препаратом «КоллапАн-гель» с последующей установкой имплантата.
Из эксперимента животных выводили через 7, 14, 28, 56 и 112 сут. после операции. Из зоны операции забирали фрагменты тканей, непосредственно прилежащих к титановому имплантату. Из каждого фрагмента после декальцинации в азотной кислоте и стандартной проводки изготавливали парафиновый блок. С каждого блока получали по пять микропрепаратов, которые окрашивали гематоксилином и эозином и по Ван-Гизону. С каждого препарата на микроскопе «LeicaDM-1000» при помощи фотонасадки «Nikon» делали
по десять репрезентативных микрофотографий. На микрофотографиях измеряли процентное соотношение тканевых компонентов в зоне операции -костной, хрящевой, соединительной ткани. Также измеряли толщину соединительной ткани, разделяющей титановый имплантат и костную ткань, и среднюю площадь кровеносных сосудов в области контакта титанового имплантата с костью. Результаты обрабатывали вариационно-статистическими методами с помощью программы Statistica 7.0.
Результаты исследования и их обсуждение
Использование имплантата без остеоиндуктивного препарата
При гистологическом исследовании ткани вокруг титанового имплантата были выявлены следующие изменения.
На седьмые сутки отмечаются признаки значительных дистрофических изменений вблизи титанового имплантата. Обнаруживаются значительные по протяженности участки некротизированной костной ткани, в которых остео-циты либо отсутствуют, либо частично разрушены, а также значительные участки лимфогистиоцитарной инфильтрации (рис. 1). Структура остеонов размытая. По мере удаления от края имплантата отмечается уменьшение дистрофических процессов. Начинает формироваться остеогенная соединительная ткань, имеющая грубоволокнистую структуру, при окраске по Ван-Гизону встречаются фуксинофильные коллагеновые волокна.
Рис. 1. Некроз и дистрофия костной ткани вокруг титанового имплантата.
Седьмые сутки. Окраска гематоксилином и эозином. *100
На 14-е сутки в исследуемых препаратах отмечается небольшое уменьшение признаков дистрофии в области края имплантата. Лимфогистио-цитарная инфильтрация менее выраженная. Отмечается активное формирование грубоволокнистой соединительной ткани, при окраске по Ван-Гизону выявляются фуксинофильные коллагеновые волокна (рис. 2). В более глубоких отделах начинает формироваться новообразованная костная ткань, причем зрелость костной ткани увеличивается по мере удаления от дефекта. Также на небольшом удалении от края имплантата выявляются островки хрящевой ткани.
Рис. 2. Формирование грубоволокнистой соединительной ткани вокруг титанового имплантата. 14-е сутки. Окраска по Ван-Гизону. *200
На 28-е сутки в области края титанового имплантата начинает формироваться первичная костная мозоль, состоящая преимущественно из грубоволокнистой соединительной ткани и новообразованной костной ткани, а также небольших по размерам островков хрящевой ткани (рис. 3).
Рис. 3. Формирование новообразованной костной ткани вокруг титанового имплантата. 28-е сутки. Окраска гематоксилином и эозином. *200
На 56-е сутки видно, что в области имплантата продолжает развиваться грубоволокнистая соединительная ткани. В толще соединительнотканной мозоли обнаруживаются единичные хондроциты. Образующиеся костные пластинки на границе с титановым имплантатом имеют незрелый характер: беспорядочно ориентированы, на их поверхности находится большое количество фибробластов. В толще новообразованных костных трабекул содержится много остеобластов и некоторое количество остеоцитов. На небольшом удалении от края имплантата активно происходят процессы ремоделирования
костной ткани и ее окончательного созревания. Между костными трабекулами в ячейках ретикулярной ткани появляются кроветворные островки.
На 112-е сутки от начала эксперимента по краю титанового имплантата наблюдается дальнейшее созревание и формирование костной ткани. Соединительнотканный компонент имеет небольшую толщину и практически полностью замещен костной тканью, процессы ремоделирования костной ткани приближаются к завершению. Хрящевая ткань практически не встречается (рис. 4).
Рис. 4. Формирование зрелой костной ткани вокруг титанового имплантата.
112-е сутки. Окраска по Ван-Гизону. *200
В новообразованных костных балках остеобласты и остеокласты находятся в динамическом равновесии, что свидетельствует о завершении процессов остеогенеза. При изучении гистологических снимков четко визуализируются остеоны.
Морфометрическое исследование показало, что отмечалось резкое уменьшение относительной площади костной ткани с 62,4 ± 2,8 % (седьмые сутки) до 31,9 ± 2,1 % (14-е сутки), данный процесс объясняется резорбцией костной ткани вследствие ее травматизации и давления имплантата на кость. В последующем отмечалось статистически достоверное (р < 0,05) увеличение доли костного компонента с 28-х суток (45,8 ± 1,9 %) до 112-х суток (89,6 ± ± 2,9 %) (табл. 1).
Хрящевая ткань при исследовании на седьмые сутки в препаратах не выявлялась. На 14-е сутки она занимала значительную площадь и составила
12,8 ± 1,1 % от общей площади контакта с имплантатом. К 28-м суткам она уже занимала 21,6 ± 1,9 % (р < 0,05) от общей площади с последующим резким уменьшением к 112-м суткам до 0,8 ± 0,01 % (р < 0,05).
Объемная доля соединительной ткани на седьмые сутки составила 37,6 ± 1,5 %, на 14-е сутки - 55,3 ± 2,5 % с последующим статистически достоверным (р < 0,05) уменьшением к 112-м суткам до 9,6 ± 0,5 % (табл. 1).
Средняя толщина соединительнотканной прослойки между костной тканью и имплантатом на седьмые сутки составила 28,5 ± 2,1 мкм, достигая своего максимума к 14-м суткам (56,9 ± 3,6 мкм). В оставшиеся временные
промежутки толщина соединительной ткани имела тенденцию к уменьшению: на 28-е сутки - 27,3 ± 1,9 мкм, на 56-е сутки - 11,9 ± 1,4 мкм и на 112-е сутки - 7,8 ± 0,8 мкм.
Таблица 1
Результаты морфометрии при использовании имплантата, подвергшегося пескоструйной обработке с последующим микродуговым оксидированием в щелочных электролитах, содержащих Са и Р
Сроки Показатели
Объемная доля костной ткани, % Объемная доля хрящевой ткани, % Объемная доля соединительной ткани, % Средняя толщина соединительной ткани, мкм Средняя площадь кровеносных 2 сосудов, мкм
7 суток 62,4 ± 2,8 - 37,6 ± 1,5 28,5 ± 2,1 8696,3 ± 285,8
14 суток 31,9 ± 2,1 12,8 ± 1,1 55,3 ± 2,5 56,9 ± 3,6 12475,4 ± 302,1
28 суток 45,8 ± 1,9 21,6 ± 1,9 32,6 ± 1,9 27,3 ± 1,9 14248,5 ± 411,2
56 суток 76,3 ± 2,4 6,5 ± 0,6 17,2 ± 1,1 11,9 ± 1,4 16976,1 ± 398,1
112 суток 89,6 ± 2,9 0,8 ± 0,01 9,6 ± 0,5 7,8 ± 0,8 21983,1 ± 354,1
Средняя площадь кровеносных сосудов имела тенденцию к плавному увеличению своих значений с седьмых суток (8696,3 ± 285,8 мкм2) до 112-х суток (21983,1 ± 354,1 мкм2).
Использование имплантата с применением остеоиндуктивного препарата
При гистологическом исследовании ткани вокруг титанового имплантата были выявлены следующие изменения.
На седьмые сутки отмечаются признаки значительных дистрофических изменений вблизи титанового имплантата. Обнаруживаются значительные по протяженности участки некротизированной костной ткани, в которых остео-циты либо отсутствуют, либо частично разрушены, а также значительные участки лимфогистиоцитарной инфильтрации (рис. 5). Структура остеонов размытая. По мере удаления от края имплантата отмечается уменьшение дистрофических процессов. Начинает формироваться остеогенная соединительная ткань, имеющая грубоволокнистую структуру, при окраске по Ван-Гизону встречаются фуксинофильные коллагеновые волокна.
На 14-е сутки в исследуемых препаратах отмечается значительное уменьшение признаков дистрофии в области края имплантата. Лимфогистио-цитарная инфильтрация слабо выраженная, отмечается активное формирование грубоволокнистой соединительной ткани, при окраске по Ван-Гизону выявляются фуксинофильные коллагеновые волокна (рис. 6). В более глубоких отделах начинает формироваться новообразованная костная ткань, причем зрелость костной ткани увеличивается по мере удаления от дефекта. Также на небольшом удалении от края имплантата выявляются островки хрящевой ткани.
На 28-е сутки в области края титанового имплантата при совместном применении с «КоллапАн-гелем» начинает активно формироваться первичная костная мозоль, состоящая преимущественно из грубоволокнистой со-
единительной ткани и новообразованной костной ткани, а также небольших по размерам островков хрящевой ткани (рис. 7).
Рис. 5. Слабо выраженный некроз и дистрофия костной ткани, единичные хондроциты вокруг титанового имплантата. Седьмые сутки. Окраска гематоксилином и эозином. *100
Рис. 6. Островки хрящевой ткани вокруг титанового имплантата. 14-е сутки.
Окраска по Ван-Гизону. *200
На 56-е сутки видно, что в области имплантата продолжает развиваться грубоволокнистая соединительная ткани. В толще соединительнотканной мозоли обнаруживаются единичные хондроциты. Образующиеся костные пластинки на границе с титановым имплантатом имеют незрелый характер: беспорядочно ориентированы, на их поверхности находится большое количество фибробластов. В толще новообразованных костных трабекул содержится много остеобластов и некоторое количество остеоци-тов. На небольшом удалении от края имплантата активно происходят процессы ремоделирования костной ткани и ее окончательного созревания. Между
костными трабекулами в ячейках ретикулярной ткани появляются кроветворные островки.
Рис. 7. Формирование новообразованной костной ткани вокруг титанового имплантата. 28-е сутки. Окраска по Ван-Гизону *200
На 112-е сутки от начала эксперимента по краю титанового имплантата при совместном применении с «КоллапАн-гелем» наблюдается дальнейшее созревание и формирование костной ткани. Соединительнотканный компонент имеет небольшую толщину и практически полностью замещен костной тканью, процессы ремоделирования костной ткани приближаются к завершению. Хрящевая ткань не встречается (рис. 8).
Рис. 8. Сформированная костная ткань вокруг титанового имплантата. 112-е сутки. Окраска по Ван-Гизону. *100
В новообразованных костных балках остеобласты и остеокласты находятся в динамическом равновесии, что свидетельствует о завершении процес-
сов остеогенеза. При изучении гистологических снимков четко визуализируются остеоны.
Морфометрическое исследование показало, что выявлялось резкое уменьшение относительной площади костной ткани с 64,5 ± 3,1 % (седьмые сутки) до 32,5 ± 2,6 % (14-е сутки). В последующем отмечалось статистически достоверное (р < 0,05) увеличение доли костного компонента с 28-х суток (44,2 ± 1,8 %) до 112-х суток (89,9 ± 2,4 %) (табл. 2).
Таблица 2
Результаты морфометрии при использовании имплантата, подвергшегося пескоструйной обработке с последующим микродуговым оксидированием в щелочных электролитах, содержащих Са и Р, при совместном применении с «КоллапАн-гелем»
Сроки Показатели
Объемная доля костной ткани, % Объемная доля хрящевой ткани, % Объемная доля соединительной ткани, % Средняя толщина соединительной ткани, мкм Средняя площадь кровеносных 2 сосудов, мкм
7 суток 64,5 ± 3,1 - 35,5 ± 1,7 31,5 ± 2,0 9457,3 ± 232,8
14 суток 32,5 ± 2,6 17,9 ± 1,1 49,6 ± 2,8 47,5 ± 2,7 13890,1 ± 329,1
28 суток 44,2 ± 1,8 19,8 ± 2,3 36,0 ± 2,1 29,7 ± 1,8 15698,8 ± 398,1
56 суток 77,4 ± 2,5 3,4 ± 0,3 19,2 ± 1,5 17,6 ± 1,2 16578,9 ± 339,5
112 суток 89,9 ± 2,4 0,2 ± 0,01 9,9 ± 0,4 8,1 ± 0,9 20889,1 ± 321,4
Хрящевая ткань при исследовании на седьмые сутки в препаратах не выявлялась. На 14-е сутки она занимала значительную площадь и составила
17,9 ± 1,1 % от общей площади контакта с имплантатом. К 28-м суткам она уже занимала 19,8 ± 2,3 %, (р < 0,05) от общей площади с последующим резким уменьшением к 112-м суткам до 0,2 ± 0,01 % (р < 0,05).
Объемная доля соединительной ткани на седьмые сутки составила 35,5 ± ± 1,7 %, на 14-е сутки - 49,6 ± 2,8 % с последующим статистически достоверным (р < 0,05) уменьшением к 112-м суткам до 9,9 ± 0,4 % (см. табл. 2).
Средняя толщина соединительнотканной прослойки между костной тканью и имплантатом на седьмые сутки составила 31,5 ± 2,0 мкм, достигая своего максимума к 14-м суткам (47,5 ± 2,7 мкм). В оставшиеся временные промежутки толщина соединительной ткани имела тенденцию к уменьшению: на 28-е сутки - 29,7 ± 1,8 мкм, на 56-е сутки - 17,6 ± 1,2 мкм и на 112-е сутки - 8,1 ± 0,9 мкм.
Средняя площадь кровеносных сосудов имела тенденцию к плавному увеличению своих значений с седьмых суток (9457,3 ± 232,8 мкм2) до 112-х суток (20889,1 ± 321,4 мкм2).
Заключение
Таким образом, использование титанового имплантата, подвергшегося микродуговому оксидированию в щелочных электролитах, содержащих Са и Р, способствует активизации процессов регенерации костной ткани, что подтверждается исследованиями других авторов [3, 8]. Однако совместное ис-
пользование данного имплантата с препаратом «КоллапАн-гель» приводит к большему ускорению процессов регенерации и оссификации. В более ранние сроки происходит купирование воспалительного процесса в поврежденной костной ткани, и более активно образуется грубоволокнистая соединительная ткань, в то время как хондрогенез менее активен, что свидетельствует о создании наиболее благоприятных условий для остеогенеза в области имплантат-кость.
Список литературы
1. Загородний, Н. В. Титановые сплавы в эндопротезировании тазобедренного сустава // Н. В. Загородний, А. А. Ильин, В. Н. Карпов // Вестник травматологии и ортопедии. - 2000. - № 2. - С. 73-76.
2. Ревизионное эндопротезирование тазобедренного сустава / В. И. Нуждин, В. В. Троценко, Т. П. Попова, С. В. Каграманов // Вестник травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова. - 2001. - № 2. - С. 66-71.
3. Надев, А. А. Рациональное эндопротезирование тазобедренного сустава / А. А. Надеев, С. В. Иванников, Н. А. Шестерня. - М., 2004. - 180 с.
4. Lexer, E. The classic: the use of free osteoplasty together with trials on arthrodesis and joint transplantation / E. Lexer // Clin. Orthop. Relat. Res. - 2008. - Vol. 466, № 8. - P. 1771-1776.
5. Кулаков, О. Б. Остеоинтеграция имплантатов из циркония и титана в эксперименте / О. Б. Кулаков, А. А. Докторов, С. В. Дьякова и др. // Морфология. -2005. - Т. 127, № 1. - С. 52-55.
6. Albrektsson, T. Biological aspects of implant dentistry: Osseointegration / T. Al-brektsson, C. Hansson, L. Sennerby // Periodontology. - 2000. - № 2. - P. 58-73.
7. Гветадзе, Р. Ш. Исследование физико-механических характеристик протезных конструкций после их припасовки с использованием лазерной сварки и доливки металла / Р. Ш. Гветадзе, Ф. С. Русанов, С. В. Михаськов // Стоматология. -2011. - № 4. - С. 63-65.
8. Каграманов, С. В. Среднесрочные результаты применения отечественного имплантанта ЭСИ в практике первичного тотального эндопротезирования тазобедренного сустава / С. В. Каграманов, В. И. Нуждин // Вестник травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова. - 2004. - № 3. - С. 44-49.
9. Piattelli, A. Effects of alkaline phosphatase on bone healing around plasma-sprayed titanium implants: a pilot study in rabbits / A. Piattelli // Biomaterials. - 1996. -Vol. 17, № 14. - P. 1443-1449.
References
1. Zagorodniy N. V., Il'in A. A., Karpov V. N. Vestnik travmatologii i ortopedii [Bulletin of traumatology and orthopedics]. 2000, no. 2, pp. 73-76.
2. Nuzhdin V. I., Trotsenko V. V., Popova T. P., Kagramanov S. V. Vestnik travmatol. i ortopedii im. N. N. Priorova [Bulletin of traumatology and orthopedics named after N.N. Priorov]. 2001, no. 2, pp. 66-71.
3. Nadev A. A., Ivannikov S. V., Shesternya N. A. Ratsional’noe endoprotezirovanie tazobedrennogo sustava [Rational endoprosthesis replacement]. Moscow, 2004, 180 p.
4. Lexer E. Clin. Orthop. Relat. Res. 2008, vol. 466, no. 8, pp. 1771-1776.
5. Kulakov O. B., Doktorov A. A., D'yakova S. V. et al. Morfologiya [Morphology]. 2005, vol. 127, no. 1, pp. 52-55.
6. Albrektsson T., Hansson C., Sennerby L. Periodontology. 2000, no. 2, pp. 58-73.
7. Gvetadze R. Sh., Rusanov F. S., Mikhas'kov S. V. Stomatologiya [Dentistry]. 2011, no. 4, pp. 63-65.
8. Kagramanov S. V., Nuzhdin V. I. Vestnik travmatologii i ortopedii im. N. N. Priorova [Bulletin of traumatology and orthopedics named after N.N. Priorov]. 2004, no. 3, pp. 44-49.
9. Piattelli A. Biomaterials. І996, vol. І7, no. І4, pp. І443-І449.
Калмин Олег Витальевич
доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой анатомии человека, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Розен Марина Андреевна аспирант, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Никишин Дмитрий Викторович
кандидат медицинских наук, доцент, кафедра анатомии человека, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Kalmin Oleg Vital'evich Doctor of medical sciences, professor, head of sub-department of human anatomy, Medical institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Rozen Marina Andreevna Postgraduate student, Medical institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Nikishin Dmitriy Viktorovich Candidate of medical sciences, associate professor, sub-department of human anatomy, Medical institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 616.71-003.93 Калмин, О. В.
Особенности остеогенеза при вживлении титанового имплантата, подвергшегося микродуговому оксидированию в щелочных электролитах, содержащих Ca и P, с использованием «КоллапАн-гель» и без него /
О. В. Калмин, М. А. Розен, Д. В. Никишин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2013. - № 3 (27). - С. 115125.
