CC BY
181
УДК 616.711-006-089.844
© В.Ш. Вагапова, У.Ф. Мухаметов, Д.Ю. Рыбалко, 2G12
В.Ш. Вагапова1, У.Ф. Мухаметов2, Д.Ю. Рыбалко1 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИМЕНЕНИЯ ИМПЛАНТАТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ РАЗЛИЧНОЙ МОДИФИКАЦИИ В ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ
гГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздравсоцразвития России, г. Уфа 2ГБУЗ «Республиканская клиническая больница им. Г.Г. Куватова», г. Уфа
Проведены экспериментально-морфологические исследования влияния на ткани имплантатов из титановых сплавов различной модификаций (наноструктурного титана, крупнозернистого титана и титанового сплава Ti-6Al-4V). Проведено клиническое исследование применения транспедикулярных систем из упрочненного титана с ультрамелкозернистой (УМЗ) наноструктурной кристаллической решеткой.
Полученные результаты свидетельствуют, что при использовании образцов из наноструктурного титана реактивные изменения костей и мягких тканей характеризуются меньшей выраженностью и продолжительностью.
Регенерирующая кость к концу эксперимента проявляет морфологические признаки зрелости, что не наблюдается при использовании сплавов других модификаций.
Клиническое применение транспедикулярной системы из УМЗ наноструктурного титана в лечении переломов и спон-дилолистезов нижне-грудного и поясничного отделов позвоночника позволяет провести необходимую коррекцию деформации позвоночника с декомпрессией позвоночного канала, стабилизировать поврежденный отдел позвоночника и активизировать пациентов в более ранние сроки, что способствет их ранней реабилитации.
Ключевые слова: наноструктурный титан, имплантат, костная ткань, морфология.
V.Sh. Vagapova, U.F. Mukhametov, D.Yu. Rybalko COMPARATIVE DESCRIPTION OF DIFFERENTLY MODIFIED TITANIUM ALLOYS IMPLANTS AND THEIR USE IN TRAUMATOLOGY AND ORTHOPEDY
We have analyzed the influence of implants made of different titanium alloys (nano-structured titanium, macrogranular titanium and macrogranular titanium alloy (Ti-6Al-4V) on the tissues of the organism.
A clinical investigation of transpendicular systems made of reinforced titanium with UMG nanostructured crystal matrix has been made.
The obtained results show that reactive changes of bones and soft tissues are less pronounced and are of shorter duration if nanostructured titanium samples are used.
By the end of the experiment a healing bone tends to display morphological features of maturity, which is not observed in comparison groups.
Clinical use of the transpedicular system made of UMG nanostructured titanium in the treatment of bone fractures and spondylolistheses of the thoracic-lumbar and lumbar spine allows to perform a necessary correction of the deformed spine by means of the spinal cord decompression, to normalize the damaged area of the backbone and to liven up the patients quicker encouraging their earlier rehabilitation.
Key words: nanostructured titanium; implant; bone tissue; morphology.
Проблема совмещения прочностных и биологических свойств в имплантатах остается одной из важнейших в травматологии и ортопедии, и ее актуальность возрастает вместе с уровнем оперативной активности. Наиболее подходящим металлом для имплантатов по биологическим свойствам является титан, однако низкие прочностные характеристики долгое время сдерживали его широкое внедрение. Эта проблема отчасти была решена применением сплавов титана с другими металлами, такими как ванадий, алюминий, кобальт, никель и др.
В настоящее время повышение прочности титана достигается наноструктурированием его кристаллической решетки методом интенсивной пластической деформации, реализующим в материале формирование состояния, когда размер зерна крупнокристаллического титана уменьшается до 0,1 мкм и менее. При этом предел прочности такого титана возрастает в несколько раз. Проведенные
прочностные испытания продемонстрировали, что сформированная структура обеспечивает высокие механические характеристики титана. Предел прочности составил 1160 МПа, предел текучести 1100 МПа, в то время как для исходного крупнокристаллического титана - 270 МПа и 400 МПа соответственно [1].
Токсикологические исследования на соответствие стандартам КО/ЕК9966-89 и ГОСТ Р 51148-98, проводившиеся совместно с лабораторией биосовместимости и токсикологии Центра восстановительной травматологии и ортопедии ТНЦ СО РАМН (г. Томск), показали, что образцы из наноструктурного титана соответствуют требованиям, предъявляемым к изделиям медицинского назначения, контактирующим с тканями организма, и рекомендуются к применению в качестве имплантатов.
Был разработан ряд имплантатов из наноструктурного титана, используемых в
травматологии и ортопедии, имеющих достаточные коэффициент прочности и биосовместимость [5]. Одним из таких имплантатов является транспедикулярная система фиксации и коррекции грудного и поясничного отделов позвоночника. Получены сертификаты на применение транспедикулярной системы в клинической практике.
Материал и методы
1. Экспериментально-морфологическая оценка влияния имплантатов из титановых сплавов различной модификации на клеточные структуры тканей.
В качестве имплантируемых материалов были выбраны различные титановые сплавы (сплавы титана с содержанием легирующих элементов менее 1% типа CP Ti Grade 2 или его аналог BT 1-0 называют также технически чистым, или коммерческим титаном):
1. СР Ti Grade 2 - с УМЗ (нано-)структурой, который получен в результате интенсивной пластической деформации для получения наноструктурного состояния (предел прочности 1050 МПа).
2. СР Ti Grade 2 со стандартной крупнозернистой структурой, используемый в медицине ограниченно, например в качестве конструкционного материала для стоматологических имплантатов (предел прочности 440 МПа).
3. Ti-6Al-4V со стандартной структурой, традиционно использующийся в травматологии в качестве имплантатов (предел прочности 950 МПа).
Имплантаты представляли собой шпильки длиной 8 мм и диаметром 2 мм, заточенные с одного конца. Морфологические исследования реакции тканей на имплантацию образцов из титановых сплавов проводились на белых крысах. Материалом для изучения были мягкие ткани, окружающие дистальный эпифиз бедра, надкостница и губчатое вещество бедренной кости крыс. Животным под эфирным наркозом в стерильных условиях в мыщелки бедра электродрелью вводились имплантаты.
Таблица
Группы сравнения и сроки забора материала
Г руппы сравнения сроки, месяц
1 2 3 6
1. Крысы с имплантами из УМЗ (нано-)структурного титана (п=20) 5 5 5 5
2. Крысы с имплантами из стандартного титана (п=21) 5 5 5 6
3. Крысы с имплантами из сплава Т>6А1-4У (п=21) 5 5 5 6
Крысы содержались в условиях вивария Башкирского государственного медицинского университета. Животных выводили из экспе-
римента через 1, 2, 3 и 6 месяцев после операции (таблица). Из кости удалялся имплантат, производился забор дистального эпифиза бедра с частью диафиза и окружающими тканями.
2. Клинические испытания транспеди-кулярной системы из наноструктурного титана.
В Центре специализированного вида медицинской помощи «Травматология, ортопедия (в т.ч. эндопротезирования крупных суставов)» РКБ им. Г.Г. Куватова за период с 2000 по 2011 г. были проанализированы 119 клинических случаев применения транспеди-кулярных систем при переломах и спондило-листезах позвонков.
Были выделены 2 группы наблюдения: основная группа состояла из 45 пациентов, которым устанавливалась транспедикулярная система из наноструктурного титана.
Группа сравнения (74 человека) - пациенты, которым устанавливались транспедику-лярные системы из других сплавов.
Хирургическое лечение проводилось в 2 этапа. На I этапе выполнялась коррекция оси позвоночника с фиксацией транспедикуляр-ной системой, на II этапе проведен передний корпородез с пластикой аутокостью. Все больные на 3-и сутки начинали ходить в съемном полужестком корсете, на 14-е сутки выписывались из стационара. В послеоперационном периоде пациенты каждые 3 месяца проходили плановое обследование: рентгенографию, компьютерную томографию (КТ) и сцинтиграфию скелета. Оценивались стабильность фиксации и состояние металлоконструкции, степень зрелости регенерата, активность репаративных процессов. Пациенты обследовались на сроках 3, 6, 12 месяцев после оперативного лечения и в отдаленные сроки (более 2 лет).
Результаты
Резул ьтат ы экспериментал ьно-морфо-логических исследований влияния имплантатов из УМЗ наноструктурного титана на ткани.
Имплантат был в непосредственном контакте с тканями, окружающими дистальный эпифиз бедра, надкостницей и губчатым веществом кости.
В толще мягких тканей вокруг шпилек из всех трех сплавов на протяжении изучаемых сроков образовывалась соединительнотканная капсула, толщина которой резко уменьшается внутри кости. В случае имплантации шпильки из сплава Т1-бА1-4У к 6 месяцам толщина капсулы в 2 раза превышает та-
ковую, по сравнению с использованием УМЗ наноструктурного титана (р=0,0043). Статистического различия толщины капсулы между 1 и 2 группами в отдаленные сроки не выявлено.
Надкостница бедренной кости после введения стержней из титана всех модификаций утолщается. Однако наибольшая толщина надкостницы через 1 месяц отмечалась при использовании CP Ti Grade 2 со стандартной структурой, а минимальное значение этого показателя - при применении сплава Ti-6Al-4V. Уменьшение толщины надкостницы при применении чистого титана наблюдалось через 2 и 3 месяца эксперимента. Реакция надкостницы на сплав Ti-6Al-4V проявляется в поздние сроки, но имеет большую продолжительность: через 6 месяцев ее толщина превышает норму более чем в 2 раза (р<0,0001). Введение в бедренную кость крысы стержня из наноструктурного титана также приводит к изменению толщины надкостницы: через 1 месяц она утолщается в 2,6 раза (р=0,0090), в последующие сроки, постепенно снижается и ее толщина к концу эксперимента становится наименьшей - около нормы (Ме 46,0 мкм, Vmm=14,0мкм; Vmax=75мкм).
Сравнение регенерата костной ткани, образованного после имплантации различных стержней, свидетельствует о том, что при применении сплава титана мозаичность его гистологической картины определяется в течение всех 6 месяцев опыта. В нем наряду с молодыми костными трабекулами обнаруживаются деструктурирующийся хрящ и островки соединительной ткани. Костные трабекулы при этом проявляют морфологические признаки неполной зрелости: в них чередуются базофильные участки с оксифильными. Остеобласты располагаются с обеих сторон трабекулы плотными рядами. В ячейках между трабекулами встречаются хрящевые островки, состоящие из округленных (пузырчатых) хон-дроцитов. При этом межклеточное вещество такого хрящевого островка имеет резкую ба-зофилию. Все это свидетельствует о продолжающейся репаративной регенерации кости.
В экспериментах с имплантированием стержней из чистого титана как со стандартной, так и с УМЗ (нано-)структурой морфологические признаки регенерации кости проявляются уже в конце первого месяца после операции. На месте разрушающейся хрящевой ткани формируются костные трабекулы. Активные остеобласты группируются по обе стороны новообразующейся трабекулы, формируются новые (базофильные) пластинки.
Через 2 месяца после операции определяются остеоциты между костными пластинками. Через 6 месяцев после операции остеобластов вдоль трабекул становится меньше. В минерализованном матриксе костной балки остеоциты локализуются в лакунах. В дистальном эпифизе бедренной кости определяются все элементы: надкостница, остеоны компактного костного вещества, губчатое костное вещество (рисунок).
Рис. Эпифиз бедренной кости крысы через 6 месяцев после введения стержня из УМЗ (нано-)структурного титана. Окр. гематоксилином и эозином. Микрофото. Ок. 10, об. 10.
1- надкостница; 2-остеоны компактного костного вещества; 3-губчатое костное вещество; 4-хондрогенная ткань.
Таким образом, морфологическая картина кости и мягких тканей свидетельствует, что сплав Ti-6Al-4V вызывает более выраженную реакцию со стороны всех тканей. При этом изменения кости, надкостницы и мягких тканей сохраняются более длительное время, чем при использовании в качестве имплантата чистого титана. Репаративная регенерация костной ткани после вживления последнего происходит более быстрыми темпами.
Результаты клинических испытаний
В ближайший послеоперационный период пациенты обеих групп отмечали уменьшение болевого синдрома. Сила мышц и чувствительность нижних конечностей были сохранены.
По данным рентгенограмм и КТ, в группе с применением систем из наноструктурного титана вторичного смещения костных трансплантатов не наблюдалось. Уже к 6 месяцам определялась картина формирующегося костного блока. К 12 месяцам у 33 из 34 (97%) обследованных костный блок формировался полностью (р<0.05). В группе с использованием других транспедикулярных систем к 12 месяцам костный блок формировался полностью у 27 из 35 (77%) обследованных пациентов. Вторичного смещения костных трансплантатов также не наблюдалось. В 8 случаях наблюдалось формирование ложного сустава в зоне трансплантат-позвонок. У 4 из 35 об-
следованных (11,4%) пациентов через 12 месяцев наблюдалась потеря интраоперацион-ной коррекции оси позвоночника до10°. У 2 из них она сопровождалась переломом винтов. В основной группе достигнутая степень коррекции и стабильность транспедикулярной системы сохранялась в 100 % случаев во все сроки наблюдения.
В сроки 12 месяцев и более болевой синдром был полностью купирован у 32 из 34 пациентов (94%) основной группы и у 31 из 35 пациентов (88%) группы сравнения без достоверной разницы (р=0,06733).
Таким образом, клиническое применение транспедикулярной системы из УМЗ наноструктурного титана в лечении переломов и спондилолистезов нижне-грудного и поясничного отделов позвоночника позволяет провести необходимую коррекцию деформации позвоночника с декомпрессией позвоночного канала, стабилизировать поврежденный отдел позвоночника и активизировать пациентов в более ранние сроки, что способствует их ранней реабилитации.
Выводы
1. Сравнительная морфологическая характеристика преобразований окружающих титановые стержни мягких тканей, надкостницы и губчатого вещества бедренной кости крыс свидетельствует о менее выраженном действии имплантатов из чистого титана и меньшей продолжительности ответной реакции по сравнению со сплавом Ті-6ЛІ-4У.
2. При введении титана с УМЗ наноструктурой в эпифиз бедренных костей крыс регенерирующая кость к 6 месяцам проявляет морфологические признаки зрелости, характеризующиеся формированием органотипических структур кости. При имплантации стержней из сплава ТІ-6ЛІ-4У структурная организация кости на момент окончания эксперимента не завершается.
3. Разработанная нами транспедикулярная система из УМЗ наноструктурного титана может использоваться для оперативного лечения нестабильных переломов и спондилоли-стезов нижних грудных и поясничных позвонков.
Сведения об авторах статьи:
Вагапова Василя Шарифьяновна - д.м.н., профессор, зав. кафедрой анатомии человека ГБОУ ВПО БГМУ Мин-здравсоцразвития России. Адрес: 450000, г. Уфа, Ленина, 3. Тел. 8(347)272-58-51.
Мухаметов Урал Фаритович - к.м.н., врач-травматолог-ортопед отделения травматологии и ортопедии ГБУЗ РКБ. Адрес: 450005, г. Уфа, Достоевского, 132
Рыбалко Дмитрий Юрьевич - к.м.н., доцент кафедры анатомии человека ГБОУ ВПО БГМУ Минздравсоцразвития России. Адрес: 450000, г. Уфа, Ленина, 3. Тел. 8(347)272-58-51. E-mail: rybalko_dy@mail.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Афаунов, А.А. Возможности транспедикулярного остеосинтеза при лечении травм грудного и поясничного отделов позвоночника / А.А. Афаунов, В.Д. Усиков, А.И. Афаунов // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2004. - № 4. - С. 6874.
2. Борисов, А.К. Оперативное лечение переломов грудного и поясничного отделов позвоночника с применением транспедикулярной фиксации: автореф. дис.... канд. мед. наук. - М., 2001. - 24с.
3. Валиев, Р.З. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства / Р.3. Валиев, И.В. Александров // - М.: ИКЦ «Академ-книга», 2007. - 398с.
4. Исследование сопротивления усталости титана с ультрамелкозернистой структурой / И.П. Семенова [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - N° 2. - С. 34-39.
5. Латыш, В.В. Разработка комбинированной технологии получения высокопрочных наноструктурных заготовок и изделий из титана ВТ 1-0: автореф. дис.... канд. техн. наук. - Уфа, 2000. - 24с.
