CC BY
22
DOI 10.29254/2077-4214-2018-1-1-142-275-279
УДК 616-001.46 : 54.03 : 615.46
1Дедух Н. В., 1Нкольченко О. А.,2Макаров В. Б.
ПЕРЕБУДОВА К1СТКИ НАВКОЛО ПОЛ1ЛАКТИДУ, 1МПЛАНТОВАНОГО
У Д1АФ1З СТЕГНОВОТ К1СТКИ
1Державна установа «1нститут патологихребта та суглоб1в iM. проф. М. I. Ситенка НАМН Укра'Гни» (м. Харк1в) 2Державний заклад «Спец1ал1зована багатопроф1льна л1карня № 1 МОЗ Укра'Гни» (м. Дн1про)
Зв'язок публшацп з плановими науково-до-слщними роботами. Робота виконана у рамках договору про науково-практичне ствробтицтво мiж ДУ «1нститут патологiI хребта та суглобiв iм. проф. М.1. Ситенка НАМН Укра1ни» (м. Харюв) та Спеща-лiзованою багатопрофiльною лкарнею № 1 МОЗ Укра1ни (м. Днтро) вiд 01.11.2016 р.
Вступ. За останнi роки проведено багато досл^ джень стосовно використання рiзних бiоматерiалiв, що можуть бiодеградувати в тканинах оргаызму, бути бiосумiсними та мати ункальы механiчнi влас-тивост [2,7]. Найбiльша кiлькiсть дослщжень та ви-користань у кгмычних умовах припадае на полтакти-ди i полiглiколiди та 1х сополiмери [2,5-7,10-12,15]. Однак за даними лггератури низьк механiчнi власти-востi комерцiйних матерiалiв, побiчнi ефекти потре-бують детального вивченн поведiнки бiоматерiалiв, особливо за умов iмплантацiI в кiстку [14].
Вщома цiла низка чинникiв, властивих бюроз-чинним iмплантатам, що впливають на його пове-дiнку в тканинах оргаызму, це - хiмiчний склад, мо-лекулярна маса, орiентацiя волокон, концентрацiя мономерiв (для сополiмерiв), стереоiзомерiя, мате-рiальна фаза, конформа^я, обсяг та якiсть поверхнi, наявнють пор, можливi добавки та домшки, метод стерилiзацiI та механiзм деградаци (ферментний або гiдролiзний) [10,14]. Поряд iз чинниками iмп-лантатiв велике значення мае дтянка iмплантацiI, тип тканини, навантаження, а також васкуляриза-^я ложа. Бiльшiсть експериментальних дослщжень
проведена пiсля iмплантацiI бiоматерiалiв у мета-фiзарнi дефекти, однак дiафiзарнi дефекти вiдpiзня-ються васкуляризацieю, присутнютю стромальних клiтин, навантаженням. У зв'язку з цим, необхiднi поширенi дослщження поведiнки бiоматерiалiв у кiстках за рiзних умов.
Мета досл1дження. Вивчити бюсумюнють та остеоiнтеграцiю полiлактиду Ingeo™ Biopolymer 4032D в умовах iмплантацiI в дiафiзарний дефект стегново! юстки щурiв.
Об'ект i методи дослщження. Експеримен-тальнi дослщження на щурах проводили в лаборато-pi'i експериментального моделювання ДУ «1нститут патологiI хребта та суглобiв iм. проф. М.1. Ситенка НАМН Укра!ни» з дотриманням вимог бвропейсько! конвенцiI захисту хребетних тварин, яких викорис-товують в експериментальних i iнших наукових цтях (Страсбург, 1986) та статтi 26 Закону Укра!ни «Про захист тварин вщ жорстокого поводження» [3,4]. Протокол експеримен^в на тваринах був затвер-джений локальним комiтетом з бюетики (протокол № 158 вiд 21.11.2016 р.).
Техн!ка виконаннях'рурпчного втручання. Зразки бiополiмеpу (Ingeo™ Biopolymer 4032D, NatureWorks LLC) для iмплантацiI в дiафiз стегново! юстки було виготовлено у виглядi цилiндpiв 242 мм (рис. 1 А). Хiмiчна назва бiополiмеpу - полiлактидна смола, для полiмеpизацi! використано спiввiдношення сумiшi D- и L-форм лактиду вiд 24:1 до 30:1 [13]. Далi в тек-стi використано теpмiн «полтактид».
Рис. 1 А, Б. А) Зразок ¡з пол1лактиду, що виготовлений для 1мплантацГГ. Б) 1мплантат у д1аф1зарному дефект! стегновоГ к1стки щура.
А
Б
Пщ загальним внутрiшньом'язовим знеболюван-ням (кетамш 50 мг/кг живо! маси) в умовах асептики та антисептики 28 щурам моделювали дiрчастi де-фекти. Використовували передньо-латеральний доступ до середньо! третини дiафiза право! стегново! кiстки. За допомогою стоматолопчного бора моделювали стандартний дiрчастий дефект дiаметром 2 мм та глибиною 2 мм з подальшою iмплантацieю в нього дослiдного зразка бiоматерiалу (рис. 1 Б).
Обробку рани у тварин проводили антибютиком (БщилЫ®-3) з пошаровим ушиванням. Пюля опе-
А
Рис. 2 А, Б. Фотовщбиток гiстологiчного препарату. 1м KicTKOBi трабекули, що оточують iMnnaHTaT у юстково-прилеглих до кортексу. Забарвлення гемато
на вщстаы вщ нього. В дiлянках кортексу, прилеглих до iмплантата, виявленi ознаки перебудови. Були присутн зони без клггин та невеликi резорбцiйнi по-рожнини.
В кютково-мозковому каналi на невеликих дшян-ках iмплантат безпосередньо контактував з кютко-вим мозком або з новоутвореною кiстковою тканиною, яка тонким шаром вщокремлювала iмплантат вщ кiсткового мозку (рис. 2 А).
Над поверхнею iмплантата був сформований перюст, представлений сполучною тканиною, а на
антат (1м) з полшактиду в кортексi. Б) Новоутворенi зковому каналi. Мережа тонких кiсткових трабекул, илiном та еозином. А) Зб. х60. Б) Зб. х40.
рацiI тварини знаходилися пiд постiйним наглядом. Тварин виводили i3 експерименту на 15, 30, 90 та 180 добу (по 7 тварин на кожний термш) пюля опе-рацп шляхом декапггаци з використанням ефiрного наркозу. Такий спосiб виведення тварин з експерименту обрано через необхщнють забору кровi для кгмычного та бiохiмiчного дослiджень. Для морфо-логiчних дослiджень вилучали стегновi кютки з дiа-фiзарними дiлянками дефекту, який був заповнений полшактидом.
Матерiал обробляли гiстологiчними методами, керуючись рекоменда^ями Д.С. Саркисова, Ю.Л. Перова [8]. Пюля фксацм в розчинi 10% нейтрального формалшу, декальцинацiI в 4% розчин азотно! кислоти матерiал зневоднювали в етиловому спирт (вiд 70е до 96е). Для подальшого зневоднювання матерiал занурювали у сумш Нiкiфорова (етиловий спирт та етиловий ефiр, 1:1), потiм заключали в це-ло!дин. Зрiзи (8-10 мкм) виготовляли на санному м^ кротоми «Reichert», забарвлювали гематоксилiном Вейгерта та еозином, а також ткрофуксином за Ван □зон. Пстолопчы зрiзи дослiджували пiд свiтловим мiкроскопом Olympus ВХ63.
Результати дослщження та 'Гх обговорення. На 15 добу гютолопчного дослiдження дiлянка iмп-лантацiI зразюв з полiлактиду в дiафiзарному вщ-дiлi стегново! кiстки чiтко визначалася. 1мплантати були розташованi в кортекс (рис. 2 А) та занурен в кiстково-мозковий канал (рис. 2 Б). Практично по всьому периметру вони були оточен тонким шаром незршо! грубоволокнисто! кiстковоI тканини. Побли-зу кортексу мало мiсце формування мережi тонких кiсткових трабекул як на поверхн iмплантатiв, так i
дiлянках у двох щурiв - новосформованою грубо-волокнистою юстковою тканиною, осередки яко! в основному розташовувалися мiж iмплантатом та кортексом.
На 30 добу доогмдження iмплантати з полшактиду були щшьно розташованi в дефект стегново! кiстки та оточен тонким шаром кiстково! тканини пластин-частого типу у дiлянках кортексу та в кютково-моз-ковому каналк
Перiост над iмплантатами був представлений сполучною тканиною з тонким волокнистим шаром. Остеобластичний шар був вщсутым, що свщчить про формування перюсту за умов вщсутност по-дразнення.
На наступний термЫ дослiдження, а саме на 90 добу, iмплантати мали невелик ознаки деграда-цi! лише в крайових в^шах. По всьому периметру занурення в кортекс (рис. 3 А) та юстковий мозок (рис. 3 Б) вони були оточен пластинчастою юстковою тканиною. На невеликих дшянках будова ново-утворено! кютки в^^знялася вiд материнсько! юст-ки кортексу, що оточувала iмплантат. В таких зонах виявлено формування мiкротрiщин. В iнших дшянках пластинчаста кютка просякала в iмплантат у ви-глядi стрiчок.
В кiстково-мозковому каналi навколо iмплантатiв зберiгалось стрiчкоподiбне нашарування кiстково! тканини на iмплантат (рис. 3 Б). Кюткова тканина мала яскраво забарвлений матрикс iз базофiльними лiнiями, що вщокремлюють генерацi! кiстково! тканини. Щшьнють остеоцитiв була високою, вони розташовувалися в вузьких лакунах.
А Б
Рис. 3 А, Б. Фотовщбитки гiстологiчних препаратiв. А) Кортекс. 1мплантат (1м) з ознаками розчинення в крайових вiддiлах, в як вросла пластинчаста кiсткова тканина. Б) Кiсткова тканина навколо iмплантата в кiстково-мозковому каналi. Забарвлення гематоксилшом та еозином. А) Зб. «40. Б) Зб. ><400.
Перiост над iмплантатами був представлений нашаруванням сполучно! тканини у виглядi вузько! смужки.
На 180 добу iмплантати щтьно розташовувалися в кортексi (рис. 4 А). Вони в основному збер^али форму, однак, як й на попереднм термЫ до^джен-ня, виявлен невеликi дiлянки в крайових вщдпах, в якi вростала кiсткова тканина, однак поширення таких дiлянок, порiвняно з попереднiм термiном, не виявлено. На шших дiлянках, що оточували iмплан-тат, межа мiж новоутвореною та материнською юст-кою не визначалася, iмплантат був щiльно замуро-ваний в компактну кiсткову тканину дiафiза.
осередкiв iнфекцií навколо iмплантатiв ми не спо-стерiгали. З даних лтератури вiдомо, що полiмери полiлактидiв зменшують ризик розвитку перпмплан-тацiйного остеопорозу [15], що совпадав з даними, отриманими нами.
В кiстково-мозковому каналi на межi «кiстковий мозок - iмплантат» розташованi вузькi прошарки кютково! тканини, що оточували iмплантат (рис. 4 Б).
Таким чином, на раннм термЫ дослiдження (15 доба) навколо бiоматерiалу 1пдео™ В1оро!утег 40320 сформована незрта кiсткова тканина, осе-редкiв запалення не виявлено. Однак на цей термш спостерiгаeмо перебудову прилеглого кортикально-
А Б
Рис. 4 А, Б. Фотовщбитки гiстологiчних препаратiв. А) Щшьне розташування iмплантата (1м) у кортекс дiафiза стегново'Гкiстки. Б) Кюткова тканина навколо iмплантата в кiстково-мозковому каналi. Забарвлення
гематоксилiном та еозином. А) Зб. «40. Б) Зб. «200.
За даними лтератури iмплантати з полiлактидiв та пол^лколщв в залежностi вiд складу та технологи виготовлення можуть збертати форму вщ 6 до 24 Mic, а потiм пiдцаються бюдеградацп. Цей часовий дiапазон розчинення значно розширюе сферу 1х ви-користання в залежност вiд умов iмплантацiI [1]. Такi матерiали мають перевагу, тому що дають можли-вють проводити рентгенологiчнi доcлiдження на рiзнi термiни пicля iмплантацiI, а також не потребують xi-рургiчного видалення [9,15]. Однак даних щодо до-cлiдженого бiоматерiалу (Ingeo™ Biopolymer 4032D) про його перебудову в юстц в науковм лiтературi не виявлено. Ознак остеопени, остеопорозу або
го шару за рахунок формування невеликих резорб-цмних порожнин та дтянок без клiтин, що може бути наслщком хiрургiчного втручання. На 30 добу iмп-лантат був оточений зртою кiстковою тканиною як у дтянках кортексу, так i в юстково-мозковому каналi. На наступнi термши дослiдження (90 та 180 доба) iмплантати в дiлянках дефекту практично збертали форму, лише в !х крайових вiдцiлах, розташованих у кiстково-мозковому каналi, виявленi невеликi осе-редки вростання кютково! тканини в iмплантати, що свщчить про початковi прояви бюдеградаци з синх-ронним замщенням таких дiлянок кiстковою тканиною. Матерiал мае високу бiосумiснiть та остеоште-
гративн якостi, що розширюе його використання в ортопедiI та травматологи.
Висновки
1. 1мплантати з бiоматерiалу Ingeo™ Biopolymer 4032D бiосумiснi з кютковою тканиною та мають ви-сокi остеоiнтегративнi якостi.
2. Перебудова кортексу навколо Ingeo™ Biopolymer 4032D активно вщбуваеться в основно-
му до 90 дiб, iмплантати були щшьно оточенi зрiло,i кiстковою тканиною, ix повно, деградаци на 180 добу не виявлено.
Перспективою подальших дослiджень в ви-
вчення перебудови iмплантата з Ingeo™ Biopolymer 4032D та прилегло, кютки на подалыш термiни до-слiдження, а також за умов iмплантацii в метафiзар-ний дефект.
Л^ература
1. Agadzhanyan VV, Pronskikh АА, Demina VА, Gomzyak VI, Sedush NG, Chvalun SN. Biodegradiruyemyye implanty v ortopedii i travmatologii Nash pervyy opyt. Politravma. 2016 Dec;4:85-93. [in Russiаn].
2. Bengus LM, Dedukh NV, Malyshkina SV. Polimernyye kompozity v ortopedii i travmatologii. Ukrayinskyy morfolohichnyy almanakh. 2009;7(3):11-4. [in Russiаn].
3. Verkhovna Rada Ukrayiny. Yevropeyska konventsiya pro zakhyst khrebetnykh tvaryn, shcho vykorystovuyutsya dlya doslidnykh ta inshykh naukovykh tsiley. Strasburh, 18 bereznia 1986 roku: ofitsiinyi pereklad [Internet]. Kyiv: Parlamentske vydavnytstvo; 2000. Dostupno: http:// zakon2.rada.gov.ua/laws/show/994_137 [in Ukrainian].
4. Verkhovna Rada Ukrainy. Zakon Ukrainy № 3447-IV vid 21.02.2006 «Pro zakhyst tvaryn vid zhorstokoho povodzhennia» [Internet]. Kyiv: Vidomosti Verkhovnoi Rady Ukrainy; 2006 [onovleno 2017 Serp 04; tsytovano 2017 Hrud 11]. Dostupno: http://zakon5.rada.gov.ua/laws/ show/3447-15 [in Ukrainian].
5. Korzh NA, Radchenko VA, Kladchenko LA, Malyshkina CV. Implantatsionnyye materialy i osteogenez. Rol induktsii i konduktsii v osteogeneze. Ortopediya. travmatologiya i protezirovaniye. 2003;2:150-5. [in Russiаn].
6. Mamuladze TZ, Bazlov VA, Pavlov VV, Sadovoy MA. Ispolzovaniye sovremennykh sinteticheskikh materialov pri zameshchenii kostnykh de-fektov metodom individualnoy konturnoy plastiki. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamentalnykh issledovaniy. 2016;11(3):451-5. [in Russiаn].
7. Radchenko VA, Dedukh NV, Malyshkina SV, Bengus LM. Biorezorbiruyemyye polimery v ortopedii i travmatologii. Ortopediya. travmatologiya i protezirovaniye. 2006;3:116-24. [in Russiаn].
8. Sarkisov DS, Perov YuL, redaktory. Mikroskopicheskaya tekhnika: Rukovodstvo. Moskva: Meditsina; 1996. 542 s. [in Russiаn].
9. Khoninov ВЧ Sergunin О^ Skoroglyadov PА. Vozmozhnosti primeneniya biodegradiruyemykh materialov v travmatologii i ortopedii (obzor literatury). Vestnik RGMU. 2014;1:20-4. [in Russiаn].
10. An YH, Woolf SK, Friedman RJ. Pre-clinical in vivo evaluation of orthopaedic bioabsorbable devices. Biomaterials. 2000 Dec;21(24):2635-52.
11. Hamad K, Kaseem M, Ko YG, Deri F. Biodegradable polymer blends and composites: An overview. Polymer Science, Series A. 2014 Nov;56(6):812-29.
12. Hamad K, Kaseem M, Yang HW, Deri F, Ko YG. Properties and medical applications of polylactic acid: A review. eXPRESS Polymer Letters. 2015;9(5):435-55.
13. Ingeo™ Biopolymer 4032D Technical Data Sheet. Available from: https://www.natureworksllc.com/~/media/Files/NatureWorks/Technical-Documents/Technical-Data-Sheets/TechnicalDataSheet_4032D_general_pdf
14. Kontakis GM, Pagkalos JE, Tosounidis TI, Melissas J, Katonis P. Bioabsorbable materials in orthopaedics. Acta Orthop. Belg. 2007 Apr;73(2):159-69.
15. Pawara RP, Tekalea SU, Shisodiaa SU, Totrea JT, Dombb AJ. Biomedical Applications of Poly (Lactic Acid). Recent Patents on Regenerative Medicine. 2014;4(1):40-51.
ПЕРЕБУДОВА К1СТКИ НАВКОЛО ПОЛ1ЛАКТИДУ, 1МПЛАНТОВАНОГО У Д1АФ1З СТЕГНОВОТ К1СТКИ
Дедух Н. В., Ыкольченко О. А., Макаров В. Б.
Резюме. У статт представлен резулытати до^дження, проведеного на 28 бших щурах за умов iмплантацii полшактиду Ingeo™ Biopolymer 4032D у дiафiзарний дефект стегново, кютки. Виявлено, що на 15 добу навколо бiоматерiалу сформована незрша кюткова тканина. Вщзначена перебудова прилеглого кортикального шару за рахунок формування невеликих резорбцмних порожнин. На 30 добу iмплантат був ото-чений зршою кютковою тканиною як у дшянках кортексу, так i в кютково-мозковому каналг На наступи строки до^дження (90 та 180 дiб) iмплантати на дшянках дефекту збер^али форму, лише у крайових вщдшах iмплантатiв визначено вростання кютково, тканини, що свщчить про його слабку бюдеградацю. Порушены органзацп кортексу, прилеглого до област iмплантацii, не спостер^али. Осередюв перпмплантацмного остеопорозу та ознак запалення на строки дослщження не виявлено. Матерiал Ingeo™ Biopolymer 4032D характеризуемся високою бюсумюнютю та остеоштегративними якостями, що поширюв можливост його використання в ортопедп та травматологи.
Ключовi слова: iмплантати, що бюдеградують, полшактиди, Ingeo™ Biopolymer 4032D, щури, дефекти дiафiза.
ПЕРЕСТРОЙКА КОСТИ ВОКРУГ ПОЛИЛАКТИДА, ИМПЛАНТИРОВАННОГО В ДИАФИЗАРНЫЙ ДЕФЕКТ
Дедух Н. В., Никольченко О. А., Макаров В. Б.
Резюме. В статье представлены результаты исследования, проведенного на 28 белых крысах в условиях имплантации полилактида Ingeo™ Biopolymer 4032D в диафизарный дефект бедренной кости. Выявлено, что на 15 сутки вокруг биоматериала сформирована незрелая костная ткань. Отмечена перестройка прилежащего кортикального слоя за счет формирования небольших резорбционных полостей. На 30 сутки
имплантат был окружен зрелой костной тканью как в участках кортекса, так и в костномозговом канале. На следующие сроки исследования (90 и 180 сутки) имплантаты в участках дефекта сохраняли форму, лишь в краевых отделах имплантатов обнаружено врастание костной ткани, что свидетельствует о его слабой биодеградации. Нарушений организации кортекса, прилежащего к области имплантации, не наблюдали. Очагов периимплантационного остеопороза и признаков воспаления на сроки исследования не выявлено. Материал Ingeo™ Biopolymer 4032D обладает высокой биосовместимостью и остеоинтегративными качествами, что расширяет возможности его использования в ортопедии и травматологии.
Ключевые слова: биодеградируемые имплантаты, полилактиды, Ingeo™ Biopolymer 4032D, крысы, дефекты диафиза.
RESTRUCTURING OF BONE AROUND POLYLACTIDE ACID IMPLANTED INTO DEFECT OF DIAPHYSIS
Dedukh N. V., Nikolchenko O. A., Makarov V. B.
Abstract. Factors inherent in biodegradable implants affect its behaviour in the tissues of the body in connection with this, it is necessary to study the behaviour of biomaterials in bones in different conditions.
Purpose of the study. To study biocompatibility and osteointegration of polylactide acid Ingeo™ Biopolymer 4032D in conditions of implantation into diaphyseal defects of femur bone.
Object and Methods. Experimental studies were performed on 28 rats. Forward-lateral access to the middle third of the diaphysis of the right femur was used. After cutting the skin and dislodging the muscles using a dental bore, a standard whole defect with a diameter of 2 mm and a depth of 2 mm was modeled, followed by the implantation of biomaterial Ingeo™ Biopolymer 4032D in it. Animals were killed at 15, 30, 90 and 180 days. After histological procedures the material was examined under a microscope Olympus ВХ 63 (Carl Zeiss).
Research results and discussion. At day 15 after of the histological study, the site of implantation of samples from polylactide acid in the diaphyseal femoral area was clearly determined. Implants were located in the cortex and immersed in the bone marrow channel. Virtually throughout the perimeter they were surrounded by a thin layer of immature bone tissue. Near the cortex there was the formation of a network of fine bone trabecula, both on the surface of implants and at a distance from it. In the areas of cortex adjacent to the implant, signs of remodeling have been identified. There were areas without cells and small resorbtive cavities. In the bone marrow in small areas the implant directly contacts the bone marrow or the new bone tissue, which separated the implant from the bone marrow with a thin layer.
At day 30, the study of implants from the polylactide acid was densely located in the defect of the femur and surrounded by a thin layer of bone tissue of the lamellar type in the cortex and in the bone marrow.
For the next term of the study, namely at 90 days, implants had small signs of degradation only in the regional departments. Throughout the perimeter of immersion in cortex and bone marrow, they were surrounded by lamellar bone tissue. In small areas, the density of the newly formed bone according to the strength characteristics differed from the maternal bone of the cortex surrounding the implant. In these zones, the formation of microcracks is revealed. In other areas, the implants were surrounded by bone tissue in the form of tapes. In the bone marrow into the implants there was preserved tape-like layers of bone tissue on the implant.
On the 180th day implants were tightly located on the defect sites and were surrounded bone tissue. Implants were keep in shape, however, as in the previous study period, small areas of bone were found in marginal area of the implants, but no increase in the area of such sites compared to the previous period was found. In the cortex surrounding the implant, the boundaries between the newly formed bone and the maternal bone are not established. The implant was tightly embedded in the compact bone of the diaphysis.
Implants from polylactide acid are biocompatible with bone tissue and have high osteointegrable qualities.
Conclusion. Rebuilding cortex around the polylactide acid actively occurs mainly up to 90 days, implants were tightly surrounded by mature bone tissue, their complete degradation for 180 days was not detected.
Key words: biodegradable implants, polylactide, Ingeo™ Biopolymer 4032D, rats, defects of diaphysis.
Рецензент - проф. Блаш С. М.
Стаття надшшла 22.12.2017 року
