CC BY
23
УДК 616-089.819843:[616.71-74:615.453.3]
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСТЕОИНТЕГРАЦИИ КОНГЛОМЕРАТА БИОКЕРАМИЧЕСКИХ АЛЮМООКСИДНЫХ ГРАНУЛ
Виктор Викторович РЕРИХ1,2, Арташес Робертович АВЕТИСЯН1, Сергей Владимирович САВЧЕНКО2, Владимир Андреевич БАТАЕВ3, Аэлита Александровна НИКУЛИНА3, Альберт Игоревич ПОПЕЛЮХ3, Анатолий Маркович АРОНОВ4, Екатерина Станиславовна СЕМАНЦОВА4
1 ФГБУ Новосибирский НИИ травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна Минздрава России 630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 17
2 ФГБОУ ВПО Новосибирский государственный медицинский университет Минздрава России 630091, г. Новосибирск, Красный просп., 52
3 ФГБОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет 630073, Новосибирск, ул. Блюхера, 30/1
4 ХК ОАО «НЭВЗ-Союз»
Работа посвящена изучению и характеристике процесса интеграции конгломерата алюмооксидных биокерамических гранул в большой дефект губчатой костной ткани. Материал и методы. Изучались алюмооксидные полые биокерамические гранулы, пористые биокерамические гранулы на основе гидроксиапатита и гранулы депроте-инизированной костной ткани. Имплантации гранул производились в тела позвонков шести беспородных собак массой от 15 до 18 кг. Оценивалась характеристика врастания окружающих имплантаты тканей организма. Результаты. При гистологическом исследовании спустя 6 месяцев наблюдения установлено, что в периферической зоне конгломерата имплантированных гранул на основе алюмооксидной биокерамики отмечается проникновение новообразованной костной ткани с прямым контактом с их поверхностью, однако в центральной зоне конгломерата наблюдалось только врастание волокон соединительной ткани, что было характерно также для гранул депротеинизированной костной ткани, хорошо апробированной в клинической практике. В отличие от предыдущих материалов, в случае имплантации гидроксиапатитовых гранул в центральной зоне конгломерата в двух случаях из шести отмечались пустые полости. Заключение. Изучаемые алюмооксидные биокерамические гранулы в отношении интеграции с окружающей костной тканью в эксперименте показали такие же результаты, что и хорошо апробированные гранулы депротеинизированной костной ткани.
Ключевые слова: конгломерат гранул, остеоинтеграция, алюмооксидная керамика.
Компрессионные переломы тел позвонков с дефектом костной ткани требуют реконструктивного хирургического вмешательства с имплантацией различных материалов, в качестве которых могут быть использованы аутологичные и алло-генные костные трансплантаты или, как альтернатива, синтетические или природные заместители
костной ткани. В современной практике золотым стандартом среди трансплантатов и искусственных материалов, замещающих костную ткань, является аутологичный костный трансплантат. Практическое применение собственной костной ткани пациента сопряжено с ограниченным количеством данного заместителя, а ее забор нередко
РерихВ.В. - д.м.н., зав. травматолого-ортопедическим отделением № 1, проф. кафедры травматологии, ортопедии, e-mail: [email protected]
Аветисян А.Р. - аспирант, e-mail: [email protected] Савченко С.В. - д.м.н., проф. кафедры судебной медицины
Батаев В.А. - д.т.н., проф., заместитель зав. кафедрой материаловедения в машиностроении Никулина А.А. - к.т.н., доцент кафедры материаловедения в машиностроении Попелюх А.И. - к.т.н., доцент кафедры материаловедения в машиностроении
Аронов А.М. - д.э.н., исполнительный директор по направлению медицинской и наноструктурированной керамики
Семанцова Е.С. - ведущий научный сотрудник
сопровождается осложнениями [6]. Кроме того, свободные аваскулярные костные трансплантаты подвержены частичной резорбции в имплантаци-онном ложе, что может привести к их усталостному или перестроечному разрушению [1, 4]. Применение аллогенного костного трансплантата сопровождается опасностью развития реакции его отторжения организмом донора и передачи через материал патогенных агентов [9, 10].
Технологии тканевой инженерии позволяют избежать указанных выше рисков. К ним относится замещение костного дефекта синтетическими и природными биоматериалами, способствующими миграции, адгезии и пролиферации клеток, синтезирующих межклеточное вещество костной ткани [2, 3]. Наиболее перспективны биокерамические материалы, их главное преимущество перед металлами и полимерами - превосходная биосовместимость [5, 9].
В клинической практике для восстановления дефектов тела позвонка в настоящее время используются инъекционные костные цементы на основе полиметилметакрилата, фосфатов кальция, пористые биокерамические гранулы на основе гидроксиапатита. Эти имплантаты довольно широко представлены на международном рынке биоматериалов, однако их практическое применение ограничено различными недостатками: низкая биологическая совместимость (термический некроз окружающих тканей, инкапсуляция имплантата), низкая прочность на сжатие оставшихся групп материалов, приводящая к их разрушению в нагружаемых локализациях.
Алюмооксидная биокерамика по своим физическим свойствам значительно превосходит биокерамику на основе гидроксиапатита [9, 10]. В литературе крайне мало сведений относительно способности алюмооксидных биокерамических гранул к остеоинтеграции, а также их применения для замещения дефектов костной ткани в нагружаемых локализациях скелета. Проведенные группой авторов исследования продемонстрировали способность интеграции алюмооксидных
биокерамических гранул в малых дефектах тел позвонков. Цель настоящего исследования - изучить остеоинтеграцию конгломерата алюмоок-сидных гранул, характеризовать процесс роста и распространения окружающих тканей в пространство между гранулами в различных частях дефекта тела позвонка лабораторных животных.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Эксперимент проведен на шести беспородных собаках массой от 15 до 18 кг, им выполнялась имплантация синтетических пластических гранул в тела поясничных позвонков. Характеристика примененных материалов представлена в табл. 1. Все три вида пластических гранул имплантировались каждому животному в смежные позвонки. Послеоперационное наблюдение проводилось в течение 6 месяцев. По истечении указанного срока животные выводились из эксперимента, после чего осуществлялся забор материалов и их подготовка к морфологическому исследованию. Из забранных материалов сформированы три группы препаратов по 6 образцам с одним видом пластического материала: в группе 1 имплантатами служили гранулы А1203, в группе 2 - гранулы ДПГК, в группе 3 - гранулы СаР.
Непосредственно после оперативных вмешательств выполнялась обзорная спондилография в прямой и боковой проекциях поясничного отдела позвоночника. Затем, с целью регистрации рентгенологичесих изменений в локусах имплантации пластичесих гранул, осуществлялась контрольная рентгенография тех же областей в день вывода животных из эксперимента.
Эксперимент одобрен локальным этическим комитетом учреждения.
Хирургическая техника. Операции проводились с соблюдением требований асептики и антисептики в стерильных условиях операционной. Премедикация осуществлялась путем внутримышечного введения 2%-го раствора промедола (0,5 мл/кг), реланиума (5 мг), 1%-го раствора ди-
Таблица 1
Форма и прочность исследуемых гранул
Гранулированный заместитель Биокерамические алюмооксидные цилиндры Гранулы депротеинизиро-ванной кортикоспонгиоз-ной костной ткани Биокерамические гранулы на основе кораллового гидроксиапатита
Размер, мм 1 1-2 0,5-1,0
Вид пористости Сквозная Сквозная
Диаметр пор, мкм 500 400
Прочность на сжатие, МПа Не менее 300 50-100 12
Сокращенное обозначение А1203 ДПГК СаР
медрола (1 мл), общая анестезия - внутримышечным введением кетамина (15 мг/кг).
После подготовки кожных покровов, а также их трехкратной обработки антисептиком осуществлялся левосторонний косой внебрюшин-ный доступ. Рассекалась кожа, подкожная клетчатка, фасция. Тупым путем разводились волокна наружной и внутренней косой мышцы, рассекалась поперечная фасция. Брюшной мешок отводился медиально и вверх. Обнажались передние отделы тел двух смежных поясничных позвонков.
В каудальной части тела нижележащего позвонка на вентролатеральной поверхности слева сверлом диаметром 5 мм в направлении спереди назад и от периферии к центру формировался цилиндрический дефект костной ткани, слепо заканчивающийся в губчатом веществе тела позвонка глубиной примерно 6 мм. Дефект заполнялся пластическим материалом СаР. Аналогичным образом в краниальной части того же тела позвонка на вентролатеральной поверхности слева формировался дефект с теми же размерами, который замещался пластическим материалом А1203. В ка-удальной части вышележащего тела смежного позвонка на вентролатеральной поверхности слева по описанной выше методике формировался дефект, который замещался пластическим материалом ДПГК. Осуществлялся гемостаз по ходу операции, послойно накладывались швы на рану.
Подготовка материалов и морфологические методы исследования. Забор материалов для гистологических исследований осуществлялся путем блоковой резекции тел позвонков, содержащих пластические гранулы. Забранные тела позвонков очищались от мягких тканей, подготавливались к световой микроскопии путем фиксации, декальцинации и окрашивания, а к электронной микроскопии - посредством фиксации и дегидратации. Фиксация проводилась путем экспозиции препаратов в забуференном (рН 7,4) 10%-м растворе формалина в течение 3 суток с последующей дофиксацией в течение 1 суток в растворе, одна часть которого состояла из 1,5%-го раствора параформа, а вторая - из 1,5%-го раствора глютарового альдегида. Для электронной микроскопии проводилась дегидратация препаратов путем экспозиции в растворах спирта с возрастающей концентрацией. Дегидратированные препараты заливались эпоксидной смолой и направлялись на подготовку к электронной микроскопии.
Срезы препарата для исследований изготовлены на станке для малодеформационного резания металлов и керамик Мтйот ^теге, Дания) при скорости вращения диска 60 об./мин. Плос-
Рис. 1. Схема поверхности распила тела позвонка в месте имплантации конгломерата гранул (D) с обозначением границ его периферической (A) и центральной (B) зон; С - трабекулы костной ткани
кость распила пересекала локусы имплантации пластических гранул в костную ткань, таким образом был осуществлен доступ для изучения границы между костью и имплантатом. Образцы толщиной 5-10 мм были закреплены на предметных столиках с помощью токопроводящего углеродного скотча, затем в напылительной установке Q150T ES (Quorum Technologies, Великобритания) был нанесен слой золота толщиной 10 нм.
Подготовленные препараты с имплантатами были анализированы на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50 (Carl Zeiss AG, Германия). Структурные исследования проводились при ускоряющем напряжении 5 кВ в режиме регистрации вторичных электронов. На всех полученных во время электронной микроскопии микрофотографиях оценивались две зоны поверхности распила препарата в месте их имплантации - периферическая и центральная, схема распределения зон приведена на рис. 1. Каждая зона разделена на 8 равных секторов. В каждом секторе проводилась оценка морфологических данных следующим образом: если пространство между гранулами не было заполнено ни трабе-кулами костной такни, ни волокнами соединительной ткани, то данному сектору балл не присваивался; если между гранулами отмечалось врастание волокон соединительной ткани, сектору присваивался 1 балл, а в случае врастания костной ткани - 2 балла. Затем баллы всех секторов каждой зоны суммировались, а полученный результат учитывался при статистической обработке данных. Проведено тестирование нормальности распределения в сравниваемых выборках. Гипотеза о нормальности распределения отвергалась, если достоверность критерия Шапиро-Уил-ка была меньше целевого уровня а (0,05).
РЕЗУЛЬТАТЫ
При проведении экспериментов во время наблюдения за животными в послеоперационном периоде осложнений отмечено не было.
На микрофотографиях плоскости распила препаратов через зону имплантации в группе 1 отмечался конгломерат алюмооксидных гранул А1203, а в группе 2 - гранулы ДПГК с врастанием новообразованной костной ткани в пространство между гранулами в периферической зоне, где также наблюдался прямой контакт костной ткани с их поверхностью (рис. 2, а, в, рис. 3, а). Пространство между гранулами было заполнено волокнами соединительной ткани, которая также нарастала на их поверхность (рис. 2, в, рис. 3, б).
В отличие от групп 1 и 2, где контакт костной ткани и пластических гранул в периферической зоне конгломерата отмечался во всех препаратах, в группе 3, где были имплантированы
гранулы СаР, только в трех препаратах из шести наблюдали аналогичные результаты (рис. 4, а). В оставшихся препаратах отмечалась массивная соединительнотканная капсула, которая отделяла гранулы от новообразованной костной ткани (рис. 4, б). В двух препаратах в центральной зоне наблюдалась полость, в которой свободно располагались гранулы СаР (рис. 4, в).
Результаты балльной оценки полученных микрофотографий приведены в табл. 2. По количеству баллов, полученных при оценке периферической и центральной зон конгломератов, группы статистически достоверно не различались (табл. 3).
Таким образом, в группе 1 спустя 6 месяцев после имплантации конгломерата алюмооксид-ных гранул со сквозной порой в месте дефекта губчатой костной ткани тела позвонка поясничного отдела позвоночника беспородной собаки в периферической зоне конгломерата отмечается
Рис. 2. Электронные микрофотографии в зоне имплантации конгломерата гранул А1203 спустя 6 месяцев после операции: а - поверхность распила тела позвонка, отмечается врастание новообразованной костной ткани в пространство между гранулами в периферической зоне (ув. х 3); б - центральная зона, массивные волокна соединительной ткани, заполняющие пространство между гранулами (ув. х 76); в - периферическая зона, пространство между гранулами заполнено новообразованной костной тканью, отмечается ее прямой контакт с поверхностью алюмооксидных биокерамических имплантатов (ув. х 76)
Рис. 3. Электронные микрофотографии места имплантации (а) и плоскости распила через локус имплантации (б) конгломерата гранул ДПГК спустя 6 месяцев после операции: а - отмечается новообразованная костная ткань, которая заполняет сформированный дефект костной ткани и проникает между гранулами, контактируя с их поверхностью (ув. х 33); б - в периферической зоне гранулы контактируют с новообразованной костной тканью, в пространстве между гранулами отмечаются волокна соединительной ткани (ув. х 34)
Рис. 4. Электронные микрофотографии плоскости распила через локус имплантации конгломерата гранул СаР спустя 6 месяцев после операции: а - как в периферической, так и в центральной зоне отмечается остеоинтеграция гранул (ув. х 31); б - гранулы отграничены от костной ткани соединительнотканной капсулой (ув. х 77); в - в центральной зоне гранулы свободно расположены в пустой полости (ув. х 31)
Таблица 2
Результаты балльной оценки микрофотографий на предмет наличия остеоинтеграции
имплантированных гранул
Группа Номер препарата Периферическая зона, баллы Центральная зона, баллы
31 АЬ 16 8
32 АЬ 16 8
1 30 АЬ 9 6
34 АЬ 13 13
35 А1 14 11
36 А1 12 13
31 D 13 10
32 D 14 12
2 30 D 13 7
36 D 14 8
34 D 14 14
35 D 15 14
31 СаР 13 10
32 СаР 12 8
3 30 СаР 14 14
34 СаР 15 13
35 СаР 12 0
36 СаР 8 0
Таблица 3
Достоверность различий при сравнении баллов, полученных при оценке конгломератов на микрофотографиях во второй серии экспериментов
Периферическая зона Центральная зона
Группа 1 Группа 2 Группа 1 Группа 2
рА рМ рА рМ рА рМ рА рМ
Группа 2 0,667 0,810 0,572 0,522
Группа 3 0,511 0,423 0,178 0,200 0,423 0,749 0,262 0,423
Примечание. Указана вероятность ошибки, определенная с помощью однофакторного дисперсионного анализа (рА) и и-критерия Манна-Уитни (рМ).
проникновение новообразованной костной ткани в пространство между гранулами с прямым контактом с их поверхностью, однако в центральной зоне конгломерата отмечается только врастание волокон соединительной ткани, которая заполняет все свободное пространство между ними. Аналогичные результаты отмечаются и в группах 2 и 3, где в качестве пластического материала были применены гранулы депротеинизированной костной ткани и биокерамические гранулы на основе кораллового гидроксиапатита со сквозной пористостью.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При изучении остеинтеграции конгломерата пластических гранул спустя 6 месяцев после имплантации конгломерата алюмооксидных гранул со сквозной порой (Al2O3) в месте дефекта губчатой костной ткани тела позвонка поясничного отдела позвоночника беспородной собаки в периферической зоне конгломерата отмечается проникновение новообразованной костной ткани в пространство между гранулами с прямым контактом с их поверхностью, однако в центральной зоне конгломерата наблюдается только врастание волокон соединительной ткани, которая заполняла все свободное пространство между ними. Аналогичные результаты отмечаются и в группах, где в качестве пластического материала были применены гранулы депротеинизированной костной ткани и биокерамические гранулы на основе кораллового гидроксиапатита со сквозной пористостью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Деев Р.В., Исаев А.А., Кочиш А.Ю., Тихи-лов Р.М. Пути развития клеточных технологий в костной хирургии // Травматология и ортопедия России. 2008. (1). 65-74.
2. Кирилова И.А., Садовой М.А., Подорожная В.Т. Сравнительная характеристика материалов для костной пластики: состав и свойства // Хирургия позвоночника. 2012. (3). 72-83.
3. Кирилова И.А., Таранов О.С., Подорожная В.Т. Изучение остеоинтеграции при имплантации экспериментальных образцов композиционных костно-керамических материалов // Хирургия позвоночника. 2014. (4). 80-87.
4. Кудяшев А.Л., Губочкин Н.Г. Оценка кровоснабжения несвободного костного аутотранспланта-та при лечении больного с ложным суставом ладьевидной кости запястья (клиническое наблюдение) // Травматология и ортопедия России. 2008. (1). 59-61.
5. Рерих В.В., Аветисян А.Р., Савченко С.В. и др. Сравнительный анализ восстановления формы
и прочности тел поврежденных грудопоясничных позвонков алюмооксидными биокерамическими гранулами // Хирургия позвоночника. 2014. (3). 86-94.
6. Banwart J.C., Asher M.A., Hassanein R.S. Iliac crest bone graft harvest donor site morbidity. A statistical evaluation // Spine. 1995. 20. 1055-1060.
7. Blattert T.R., JestaedtL., Weckbach A. Suitability of a calcium phosphate cement in osteoporotic vertebral body fracture augmentation: a controlled, randomized, clinical trial of balloon kyphoplasty comparing calcium phosphate versus polymethylmethacrylate // Spine. 2009. 34. 108-114.
8. Buck B.E., Malinin T.I., Brown M.D. Bone transplantation and human immunodeficiency virus. An estimate of risk of acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) // Clin. Orthop. Relat. Res. 1989. (240). 129-136.
9. Carter C.B., Norton M.G. Ceramics in biology and medicine // Ceramic Materials. N.Y.: Springer, 2007. 635-651.
10. Dubok V.A. Bioceramics - yesterday, today, tomorrow // Powder Metallurgy Metal Ceramics. 2000. 39. 381-384.
11. Georgy B.A. Feasibility, safety and cement leakage in vertebroplasty of osteoporotic and malignant compression fractures using ultra-viscous cement and hydraulic delivery system // Pain Physician. 2012. 15. 223-228.
12. Heo H.D., Cho Y.J., Sheen S.H. et al. Morphological changes of injected calcium phosphate cement in osteoporotic compressed vertebral bodies // Osteoporos. Int. 2009. 20. 2063-2070.
13. Liu J.T., Liao W.J., Tan W.C. et al. Balloon kyphoplasty versus vertebroplasty for treatment of osteoporotic vertebral compression fracture: a prospective, comparative, and randomized clinical study // Osteoporos. Int. 2010. 21. 359-364.
14. Minamide A., Yoshida M., Kawakami M. et al. The use of cultured bone marrow cells in type I collagen gel and porous hydroxyapatite for posterolateral lumbar spine fusion // Spine. 2005. 30. 1134-1138.
15. Rapan S., Jovanovic S., Gulan G. et al. Vertebroplasty - high viscosity cement versus low viscosity cement // Coll. Antropol. 2010. 34. 10631067.
16. Smucker J.D., Bobst J.A., Petersen E.B. et al. B2A peptide on ceramic granules enhance posterolateral spinal fusion in rabbits compared with autograft // Spine. 2008. 33. 1324-1329.
17. Toyone T., Tanaka T., Kato D. et al. The treatment of acute thoracolumbar burst fractures with transpedicular intracorporeal hydroxyapatite grafting following indirect reduction and pedicle screw fixation: a prospective study // Spine. 2006. 31. E208-E214.
18. Vago R. Beyond the skeleton: Cnidarian biomaterials as bioactive extracellular microenvironments for tissue engineering // Organogenesis. 2008. 4. 18-22.
19. Wigfield C.C., Nelson R.J. Nonautologous 20. Younger E.M., Chapman M.W. Morbidity at
interbody fusion materials in cervical spine surgery: bone graft donor sites // J. Orthop. Trauma. 1989. 3.
how strong is the evidence to justify their use? // Spine. 192-195. 2001. 26. 687-694.
COMPARATIVE ANALYSIS OF OSSEOINTEGRATION OF BIOCERAMIC ALUMOXANE CONGLOMERATE OF GRANULES
Viktor Viktorovich RERIKH1-2, Artashes Robertovich AVETISYAN1, Sergey Vladimirovich SAVCHENKO2, Vladimir Andreevich BATAEV3, Aelita Aleksandrovna NIKULINA3, Albert Igorevich POPELYUKH3, Anatoly Markovich ARONOV4, Ekaterina Stanislavovna SEMANTSOVA4
1 Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopaedics n.a. Ya.L. Tsivyan of Minzdrav of Russia
630091, Novosibirsk, Frunze str., 17
2 Novosibirsk State Medical University of Minzdrav of Russia 630091, Novosibirsk, Krasny av., 52
3 Novosibirsk State Technical University 630073, Novosibirsk, Blyukher str., 30/1
4 JSC «NEVZ- Soyuz»
Purpose. The trial is dedicated to the study and characterization of alumina ceramic granules conglomerate osseo-integration into a large defect of spongious bone tissue. Materials and methods. The implanted materials: hollow alumina ceramic granules, porous hydroxyapatite ceramic granules and deproteinized bone granules have been investigated. The granules were implanted in vertebral bodies of 6 mongrel dogs weighing 15 to 18 kg. Results. The direct contact of newly formed bone tissue and alumina ceramic granules surface in peripheral zone of vertebral body defect have been revealed at histological examination after 6 months of follow-up period. However the connective tissue fiber ingrowing has been found in central zone of defects. Same results were observed in group with implantation of deproteinized bone granules. Unlike the previous substances the empty cavities were revealed in group with alumina bioceramic granules in case of implanting hydroxyapatite granules in the central zone of the conglomerate in two out of six cases. Conclusion. Considering the integration with bone tissue the new hollow alumina ceramic granules demonstrated the same results as the well proved in clinical practice deproteinized bone granules.
Key words: granules conglomerate, osseointegration, alumina ceramic.
Rerikh V.V. - doctor of medical sciences, head of orthopedics department, head of the chair for traumatology and orthopedics, e-mail: [email protected]
Avetisyan A.R. - postgraduate student, e-mail: [email protected]
Savchenko S.V - doctor of medical sciences, professor of the chair for forensic pathology
Bataev V.A. - doctor of technical sciences, professor, vice chief of materials in mechanical engineering department Nikulina A.A. - candidate of technical sciences, docent of materials in mechanical engineering department Popelyukh A.I. - candidate of technical sciences, associate professor of department of material science in engineering Aronov A.M. - doctor of economical sciences, executive director Semantsova E.S. - leading researcher
