CC BY
33
УДК 616.71-003.93
А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ОСТЕОИНТЕГРАЦИИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ, ОБРАБОТАННЫХ ЛИНЕЙНО-ЦЕПОЧЕЧНЫМ УГЛЕРОДОМ
Аннотация. Представлен сравнительный анализ остеоинтеграции титановых имплантатов, подвергшихся лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода, с титановыми имплан-татами, подвергшимися только лазерной обработке. В основу эксперимента положены исследования на двух группах крыс-самцов линии Wistaг по девять особей в каждой в соответствии с образцами имплантируемых титановых штифтов. Степень остеоинтеграции оценивали с помощью гистоморфологического и компьютерно-томографического исследований.
Ключевые слова: остеоинтеграция, лазерная обработка поверхности, титановый имплантат, линейно-цепочечный углерод.
Введение
Современное высокотехнологичное развитие травматологии и ортопедии предъявляет все более высокие требования к имплантатам. В основе долговечности и функциональности современных систем имплантируемых конструкций лежит стабильная фиксация последних в костной ткани. Остеоинтеграция, обеспечивающая долгосрочную стабильность имплантата, является результатом анатомической и функциональной взаимосвязи, возникающей на границе контакта костной ткани с имплантатом под влиянием ремоделирующих физиологических нагрузок [1].
Для создания поверхностей, ускоряющих биологические процессы остеоинтегра-ции, используют разнообразные технологии, включающие в себя пескоструйную обработку, травление кислотами, ионноплазменное напыление, микродуговое оксидирование, рельефную формовку, а также нанесение специальных биокерамических покрытий [2, 3].
Современные тенденции стимулирования остеоинтегративного потенциала им-плантатов связаны с двумя направлениями: улучшение геометрии контактной поверхности имплантатов и совершенствование технологий формирования биосовместимых покрытий с материалами нового поколения [4-7].
Цель исследования
Проанализировать остеоинтегративные свойства лазерной поверхности титановых имплантатов, покрытых с целью стимуляции их поверхностного остеокондуктивного эффекта линейно-цепочечным углеродом, с титановыми имплантатами, подвергшимися лазерной обработке.
Материалы и методы исследования
В экспериментах для оценки остеоинтегративных процессов использовали 36 образцов титановых спиц длиной 30 мм, диаметром 0,9 мм с лазерной технологией обра-
ботки поверхности, дополнительно покрытых линейно-цепочечным углеродом в опытных образцах.
В качестве экспериментальной модели исследования было выбрано 18 крыс-самцов линии Wistar массой 200-250 г, которые были разделены на две группы по девять особей в каждой в соответствии с образцами имплантируемых титановых штифтов.
Методика экспериментальной операции. В операционной после обработки операционного поля 0,5 % спиртовым раствором хлоргексидина и раствором йодопирона под эфирным наркозом производили прямой разрез кожи и подкожной жировой клетчатки по передней поверхности голени длиной 10 мм. С помощью бормашины пильным диском берцовую кость остеотомировали в поперечном направлении на границе средней трети. Рассверливали проксимальный и дистальный фрагмент большеберцовой кости сверлом диаметром 0,9 мм на малых оборотах с постоянным охлаждением внутрикостно-го канала физиологическим раствором хлорида натрия. Штифты вводили ретроградно, добиваясь плотной посадки: в левую большеберцовую кость имплантировались контрольные титановые спицы с лазерной обработкой поверхности, а в правую - опытные титановые спицы с лазерной обработкой, дополнительно покрытые линейно-цепочечным углеродом. Рану послойно ушивали узловыми швами капрон 4/0. Гемостаз производили по ходу операции.
Животных выводили из опыта в сроки 30, 60 и 90 суток посредством передозировки эфирного наркоза. Материал для исследования забирали при аутопсии, которая включала вычленение сегмента голени.
Компьютерно-томографическое исследование проводили на микротомографе SkyScan 1178 на 30, 60 и 90 сутки после операции. Лучевое исследование включало в себя выполнение обзорной цифровой рентгенограммы с последующим измерением плотности костного регенерата в единицах Хаунсфилда (HU) и зБ-реконструкцией зоны интереса. Величина коллимации колебалась от 80 до 160 мкм и зависела от протяженности диапазона сканирования.
Гистологическая обработка. Материал предварительно фиксировали в 10 % растворе формалина. Декальцинацию проводили в азотной кислоте, далее следовала проводка через спирты возрастающих концентраций и заключение в парафиновый блок. Полученные с каждого блока микропрепараты окрашивали гематоксилином и эозином и по Ван-Гизону. Препараты анализировали с использованием микроскопа «LeicaDM-1000» при помощи фотонасадки «Nikon». Гистоморфометрический анализ завершался математической обработкой данных с помощью программ Ехсе1 2007, Statistica for Windows 7.0.
Результаты исследования и их обсуждение
При гистологическом исследовании ткани вокруг титановых имплантатов контрольной и опытной групп были выявлены следующие изменения. На 30 сутки отмечалось формирование первичной костной мозоли, состоящей из грубоволокнистой соединительной ткани, хрящевой ткани и новообразованной костной ткани. Она представляла собой преимущественно переплетенные коллагеновые волокна и большое количество фибробластов - продуцирующих коллаген клеток. В толще соединительнотканной мозоли обнаруживаются множественные хрящевые клетки - хондроциты, начинающие образовывать изогенные группы, и появляется хрящевой матрикс. Толщина первичной костной мозоли различна - максимальна у штифтов с лазерной обработкой поверхности с ЛЦУ, минимальна у штифтов с лазерной модификацией поверхности (рис. 1).
Рис. 1. Формирование первичной костной мозоли вокруг титанового имплантата с лазерной обработкой (а), в сочетании с ЛЦУ (б). 30 сутки. Окраска по Ван-Гизону. х200
На 60 сутки на границе интерфейса продолжает формироваться грубоволокнистая соединительная мозоль, содержащая хондроциты. Новообразованные костные пластинки беспорядочно ориентированы. Клеточный спектр представлен большим количеством фибробластов, остеобластов и небольшим количеством остеоцитов. Кроветворные островки активно появляются между костными трабекулами в ячейках ретикулярной ткани; наиболее ярко ангиогенез выражен в периимплантационной зоне титановых штифтов, подвергшихся лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Формирование новообразованной костной ткани вокруг титанового имплантата с лазерной обработкой (а), в сочетании с ЛЦУ (б) (сплошная стрелка). 60 сутки.
Окраска гематоксилином и эозином. х200
На 90 сутки наблюдается дальнейшее созревание и формирование костной ткани вокруг имплантатов. Соединительнотканный компонент замещается костно-хрящевым, начинаются процессы ремоделирования. Наиболее активно они наблюдаются у штифтов, подвергшихся лазерной обработке поверхности с ЛЦУ и менее активно - у штифтов с обычной лазерной обработкой поверхности. В новообразованных костных балках наблюдается большое количество остеобластов и остеокластов, что говорит об активных процессах перестройки костной ткани (рис. 3).
а) б)
Рис. 3. Фиброзная капсула у титанового имплантата с лазерной обработкой (а) (прерывистая стрелка). Сформированная костная ткань в периимплантационной зоне титанового имплантата с лазерной обработкой в сочетании с ЛЦУ (б) (сплошная стрелка). 30 сутки.
Окраска по Ван-Гизону. х200
Морфометрическое исследование имплантата с модифицированной лазерной обработкой поверхности. Морфометрическое исследование показало незначительное увеличение доли костного компонента с 30 суток (41,32 ± 1,1 %) до 90 суток (48,41 ± 2,2 %) (табл. 1).
Таблица 1
Усредненные результаты морфометрии при использовании имплантата
с лазерной обработкой
Показатели
Сроки Объемная Объемная доля Объемная доля Средняя толщина Средняя площадь
доля костной хрящевой соединительной соединительной кровеносных
ткани, % ткани, % ткани, % ткани, мкм, % сосудов, %
30 суток 41,32 ± 1,1 8,99 ± 0,7 36,94 ± 2,2 39,74 ± 3,6 0,72 ± 0,01
60 суток 44,45 ± 1,6 5,30 ± 0,4 25,08 ± 1,8 26,46 ± 2,5 0,96 ± 0,05
90 суток 48,41 ± 2,2 2,00 ± 0,1 23,02 ± 1,3 24,45 ± 1,7 1,41 ± 0,1
Хрящевая ткань при исследовании на 30 сутки занимала 8,99 ± 0,7 % от общей площади с последующим планомерным уменьшением к 90 суткам до 2,00 ± 0,1 %
(р < 0,05).
Объемная доля соединительной ткани на 30 сутки составила 36,94 ± 2,2 % с последующим статистически достоверным (р < 0,05) уменьшением к 90 суткам до 23,02 ± 1,3 % (см. табл. 1).
Средняя толщина соединительнотканной прослойки между костной тканью и им-плантатом максимальна на 30 сутки (39,74 ± 3,6 мкм). В оставшиеся временные промежутки толщина соединительной ткани имела тенденцию к уменьшению: на 60 сутки -26,46 ± 2,5 мкм и на 90 сутки - 24,45 ± 1,7 мкм.
Средняя площадь кровеносных сосудов имела тенденцию к плавному увеличению своих значений с 30 суток (0,72 ± 0,01 %) до 90 суток (1,41 ± 0,1 %).
Морфометрическое исследование имплантата с модифицированной лазерной обработкой поверхности с нанесением линейно-цепочечного углерода. Морфометрическое исследование показало увеличение доли костного компонента с 30 суток (42,89 ± 1,8 %) до 90 суток (82,74 ± 2,6 %) (табл. 2).
Таблица 2
Усредненные результаты морфометрии при использовании имплантата, подвергшегося лазерной обработке с ЛЦУ
Показатели
Сроки Объемная Объемная доля Объемная доля Средняя толщина Средняя площадь
доля костной хрящевой соединительной соединительной кровеносных
ткани, % ткани, % ткани, % ткани, мкм, % сосудов, %
30 суток 42,89 ± 1,8 3,20 ± 0,3 25,02 ± 2,8 38,78 ± 2,1 0,76 ± 0,02
60 суток 52,17 ± 3,1 1,43 ± 0,09 18,92 ± 1,6 16,60 ± 1,5 0,98 ± 0,07
90 суток 82,74 ± 2,6 0,2 ± 0,01 8,02 ± 0,4 7,84 ± 0,8 1,95 ± 0,1
Хрящевая ткань при исследовании на 30 сутки занимала 3,20 ± 0,3 % от общей площади с последующим резким уменьшением к 90 суткам до 0,2 ± 0,01 %.
Объемная доля соединительной ткани на 30 сутки составила 25,02 ± 2,8 %, на 60 сутки - 18,92 ± 1,6 % с последующим уменьшением к 90 суткам до 8,02 ± 0,4 % (см. табл. 2).
Средняя толщина соединительнотканной прослойки между костной тканью и им-плантатом на 30 сутки составила 38,78 ± 2,1 мкм, в оставшиеся временные промежутки толщина соединительной ткани имела тенденцию к уменьшению: на 60 сутки -16,60 ± 1,5 мкм и на 90 сутки - 7,84 ± 0,8 мкм.
Средняя площадь кровеносных сосудов имела тенденцию к плавному увеличению своих значений с 30 суток (0,76 ± 0,02 %) до 90 суток (1,95 ± 0,1 %).
Таким образом, при гистологическом исследовании ткани вокруг титанового имплантата к 90 суткам: в контрольной группе (титановые спицы с лазерной обработкой поверхности) почти на всем протяжении зоны контакта имплантата с костным ложем визуализировалась различной степени выраженности грубоволокнистая соединительнотканная прослойка; в свою очередь в опытной группе (титановые спицы с лазерной обработкой поверхности с нанесением линейно-цепочечного углерода) отмечалось образование прямого контакта между имплантатом и незрелой костной тканью без интерстициальной соединительнотканной прослойки.
При морфометрическом исследовании ткани вокруг титанового имплантата: в контрольной группе определяется незначительное увеличение доли костного компонента с 30 суток (41,32 ± 1,1 %) до 90 суток (48,41 ± 2,2 %), в то время как в опытной группе отмечается достоверное двукратное увеличение доли костного компонента с 30 суток (42,89 ± 1,8 %) до 90 суток (82,74 ± 2,6 %).
Компьютерно-томографическое исследование. На серии компьютерных рентгеновских томограмм экзартикулированных нижних конечностей животных были получены изображения костей голени, где визуализировался поперечный перелом средней трети большеберцовой кости, фиксированный интрамедулярным имплантатом.
При исследовании биологических образцов сроком имплантации 30 суток в опытных моделях в отличие от контрольных отмечалось формирование периостальных наслоений, появление теней различной плотности, заполняющих диастаз между костными отломками (рис. 4).
Рис. 4. Рентгенограммы перелома на 30 сутки имплантата с лазерной обработкой (а),
в сочетании с ЛЦУ (б)
На 60 сутки отмечалась выраженная периостальная и эндостальная костная мозоли, межфрагментарный диастаз на всем протяжении был заполнен рентгеноконтрастными тенями, которые практически полностью перекрывали зону перелома опытных экземпляров в отличие от контрольных, где линия перелома по-прежнему прослеживалась (рис. 5).
Рис. 5. Рентгенограммы перелома на 60 сутки имплантата с лазерной обработкой (а),
в сочетании с ЛЦУ (б)
На 90 сутки компьютерно-томографическое исследование зоны интереса с эБ-ре-конструкцией выявило полную консолидацию перелома обоих образцов с признаками полной перестройки костной мозоли в опытных экземплярах. Плотность костного регенерата в периимплантационной области титановых имплантатов, подвергшихся лазерной обработке, составила ~ 900 HU, а у титановых имплантатов, подвергшихся лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода ~ 1300 HU (рис. 6).
Рис. 6. КТ зоны перелома на 90 сутки имплантата с лазерной обработкой (а),
в сочетании с ЛЦУ (б)
Вывод
Полученные гистоморфологические и рентгенологические данные свидетельствуют о том, что поверхности титановых изделий, подвергшиеся модифицированной лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода, обладают высоким остеокондуктивным потенциалом, способствуя активизации процессов остеоинте-грации и обеспечивая создание полноценной системы «имплантат-кость» на границе контакта к 90 суткам имплантации с достоверным двукратным увеличением доли костного компонента - 82,74 ± 2,6 % и плотностью костного регенерата - 1300 HU в отличие от контрольной группы, где интегративные процессы менее выражены: доля костного вещества составила 48,41 ± 2,2 %, а плотность костного регенерата - 900 HU.
Покрытие поверхностей изделий линейно-цепочечным углеродом расширяет перспективу их применения в различных областях современной имплантационной хирургии.
Библиографический список
1. Митрошин, А. Н. Керамика как материал выбора в эндопротезировании коленного сустава / А. Н. Митрошин, Д. А. Космынин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2016. - № 1 (37). - С. 115-125.
2. Калмин, О. В. Особенности остеогенеза при вживлении титанового имплантата, подвергшегося микродуговому оксидированию, 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. 115-125.
3. Особенности формирования оксидокерамических слоев на поверхности имплантируемых конструкций методом микродугового оксидирования / А. Н. Митрошин, И. А. Казанцев, А. О. Кривенков, П. В. Иванов, С. Н. Чугунов, В. В. Розен, М. А. Розен // Ползуновский альманах. - 2007. - № 1-2. - С. 119-122.
4. Experimental Evaluation of the Modes of Laser Processing Of the Surface of Implants and Prostheses / A. N. Mitroshin, S. I. Gerashchenko, S. M. Gerashchenko, N. N. Yankina, I. E. Talianskii // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. - 2015. - Vol. 6, № 1. - P. 1862-1868.
5. Formation of the Porous Structure of Material Surface Using the Method of Laser Processing / A. N. Mitroshin, S. I. Gerashchenko, S. M. Gerashchenko, N. N. Yankina, A. V. Vertaev // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. - 2015. - Vol. 6, № 1. - P. 1869-1874.
6. Сравнительная оценка остеоинтеграции винтовых конических и цилиндрических титановых имплантатов, обработанных методом микродугового оксидирования / А. Н. Митрошин, П. В. Иванов, А. Е. Розен, И. А. Казанцев, М. А. Розен, В. В. Розен // Фундаментальные исследования. - 2011. - № 9-3. - С. 447-451.
7. The study of the morphology and structural properties of coatings of implants with different shapes of the developed surface. / A. N. Mitroshin, S. I. Gerashchenko, S. M. Gerashchenko, N. N. Yankina, A. F. Aleksandrov // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. - 2016. -Vol. 7, № 6. - P. 171-179.
Митрошин Александр Николаевич
доктор медицинских наук, профессор, директор Медицинского института, Пензенский государственный университет E-mail: an-mitroshin@mail.ru
Кибиткин Андрей Станиславович
старший преподаватель, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: kibitkinas@mail.ru
Ксенофонтов Михаил Анатольевич
ассистент,
кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: MAKsenofontov@mail.ru
Космынин Дмитрий Алексеевич
ассистент,
кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: kosmynin86@mail.ru
УДК 616.71-003.93 Митрошин, А. Н.
Сравнительная оценка остеоинтеграции модифицированной лазерной поверхности титановых имплантатов, обработанных линейно-цепочечным углеродом / А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2017. -№ 1 (17). - C. 9-16.
