CC BY
19
УДК 617-089.844 ББК 54.5
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ОСТЕЗАМЕЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ НА РЕГЕНЕРАТОРНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ КОСТНОЙ ТКАНИ
ИЗМОДЕНОВА М.Ю.1, ГИЛЕВ М.В.1, ЗАЙЦЕВ Д.В.2 1 ФГБОУ ВО УГМУМинздрава России, Екатеринбург, Россия 2 ФГАОУВО УрФУ им. первого президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия
e-mail: izmodenova96@gmail.com
Аннотация
В статье приводятся результаты экспериментального исследования эффективности использования остеозамещающих материалов с различными физико-химическими и биологическими свойствами при хирургическом лечении структурных дефектов костной ткани. На 36 самках кролика чистой линии породы шиншилла создавалась экспериментальная модель импрессионного перелома медиального мыщелка большеберцовой кости, затем в область дефекта устанавливался остеозамещающий имплантат. Животные выводились из эксперимента на 6, 12 и 25 неделях после операции. С целью изучения степени зрелости костных регенератов оценивали параметры механической прочности новообразованной ткани в различные сроки после операции, а также изучали область установки имплантата методом сканирующей электронной микроскопии.
Ключевые слова: аугментация, регенерация костной ткани, остеозамещающий материал, механические свойства.
Актуальность. Оперативное
аугментирование широко применяется в травматологии и ортопедии для восстановления структурной целостности опорно-двигательного аппарата и повышения остеогенного потенциала костной ткани [1, 3, 5]. Эффективность остеозамещающего материала во многом определяется интенсивностью физико-химических и биологических процессов, протекающих на границе "кость-имплантат", и поддержанием на высоком уровне остеобластической и остеокластической активности в области костного дефекта, что создает условия для биологической фиксации имплантата или остеоинтеграции [2, 5, 6].
Цель работы. Оценить влияние различных остеозамещающих материалов на регенерацию перифокальной костной ткани в процессе костносуставной консолидации при
аугментировании костного эпиметафизарного дефекта.
Материалы и методы. Экспериментальное исследование проводилось в несколько этапов и было одобрено локальным этическим комитетом ФГБОУ ВО УГМУ Минздрава России (протокол № 6 от 16.12.2016).
Объектом исследования являлись 36 самок кролика чистой линии породы шиншилла массой 2,0-3,0 кг. Все манипуляции с
животными проведены с соблюдением требований правил Европейской конвенции по защите животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (Вопросы восстановительной и
реконструктивной хирургии № 4, 2003 г., №6 и №9 2004 г.), международных рекомендации по проведению биологических исследований с использованием животных, принятые международным советом научных обществ (CЮMS) в 1985 г., правил лабораторной практики в РФ (Приказ МЗ РФ №267 от 19.06.2003 г.), Хельсинкской декларации от 2000 г. "О гуманном отношении к животным" и приложении №8 "Правил гуманного отношения к лабораторным животным".
Под комбинированным наркозом создавалась экспериментальная модель импрессионного перелома медиального мыщелка
большеберцовой кости, морфология которого была максимально приближена к искомому клиническому варианту внутрисуставного импрессионного перелома. Животные с импрессионными переломами были разделены на три группы, согласно типу устанавливаемого остеозамещающего имплантата. Первая группа (N=9, 25%) - лабораторные животные, которым выполнялась аугментация с использованием синтетического материала bTCP (bTCP,
производство Science & Bio Materials, Франция). Вторая группа (N=9, 25%) состояла из животных, которым аугментация проводилась ксенопластичестическим материалом
"Остеоматрикс" (производство
"Коннектбиофарм", Россия). Третью группу (N=9, 25%) составляли животные, прооперированные с применением углеродного наноструктурного имплантата (УНИ, производство "Нанотехмедплюс", Россия). Группу контроля составили 9 кроликов (25%), которым не проводилась костная пластика дефекта, образовавшегося после элевации субхондральной пластины. Животные выводились из эксперимента на 6, 12 и 25 неделях после операции.
Следующий этап проводился в лаборатории прочности и механики разрушения "Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина". Фрагменты большеберцовой кости кролика подвергали механической нагрузке, чтобы определить прочностные свойства и оценить влияние остеозамещающего материала на механические характеристики. Для моделирования ситуации одноосного сжатия фрагмент проксимального отдела большеберцовой кости кролика помещался в специально подготовленный нижний пуансон испытательной машины Shimadzu AG-X 50kN (Япония), при этом в последнем предварительно просверливалось отверстие большего диаметра. Во избежание опрокидывания фрагмент проксимального отдела большеберцовой кости во время одноосного сжатия последний закреплялся в пуансоне медицинским гипсом. Скорость нагружения составила 1 мм/мин.
С целью детализации основных параметров остеоинтеграции, происходящих на границе кость-имплантат при завершенной
костносуставной консолидации на сроке 25 недель послеоперационного периода, дополнительно из фрагмента проксимального отдела большеберцовой кости вырезались участки, содержащие зону интеграции имплантанта и перифокальную костную ткань по периметру в 4 мм. Полученные таким образом образцы также подвергались одноосному сжатию.
В ходе механических испытаний определялась максимальная нагрузка (Fmax), которую способен выдержать фрагмент проксимального отдела большеберцовой кости без разрушения и величина упругой
деформации. Процесс сжатия образца отображался в виде деформационной кривой, характеризующей зависимость возникающих напряжений в последнем от величины его деформации.
Микроструктуру костной ткани аттестовали на сканирующем электронном микроскопе JSM-6390 ЦУ (Япония).
Статистическая обработка данных производилась с помощью пакета анализа данных (версия МР 13.0 SN 3471502014). Статистические методы включали в себя определение различий механических свойств субхондральной кости между
экспериментальными группами по
параметрическим (при аппроксимировании изучаемого распределения нормальным) и непараметрическим (критерий Манна-Уитни, хи-квадрат и Шапиро-Уилка для независимых и сопряженных вариантов) методам. Степень взаимосвязи признаков оценивалась с помощью линейного коэффициента корреляции Пирсона. Различия считали статистически достоверными при уровне р <0,05.
Результаты и обсуждение. По данным современных источников литературы, низкая механическая прочность существенно ограничивает применение на практике многих материалов с хорошими остеокондуктивными свойствами [4, 6]. Искусственно полученные материалы на основе природных композитов, приближенные по структуре и составу к минеральному матриксу кости, по данным зарубежных авторов, обладают выраженными остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами, но достаточно низкими прочностными свойствами, что ограничивает их практическое применение [8, 9].
Результаты проведенных нами механических испытаний фрагментов большеберцовой кости с имплантированным аугментом, полученных от лабораторных животных, приведены в таблице.
По итогам эксперимента механические свойства проксимального эпиметафиза большеберцовой кости после выполнения пластики дефекта материалом ЬТСР в сроке 6 недель после операции значимо не изменились по сравнению с контрольной группой. Затем происходило снижение прочности и упругости в 12 недель. В срок 24 недели происходит полное восстановление прочностных свойств, которые превосходят значения в контрольной группе.
Подобная тенденция изменения прочности наблюдается и в группе с применением
материала "Остеоматрикс". Однако по прочностные свойства продолжают снижаться, сравнению с пластикой ЬТСР, в данном случае но в 24 недели мы наблюдаем повышение эпиметафиз уступает по прочности прочности до уровня, предшествовавшего неповрежденной кости, в 12 недель упруго - травме, но не превышающего таковой.
Таблица
Механические свойства проксимального эпиметафиза большеберцовой кости кролика
Механический параметр* Тип остеопластического материала
bTCP** УНИ*** Ксенокость Группа контроля
Максимальная нагрузка [Н] Время , нед 6 1446±12,21 1487±6,44 1246±6,28 1410,02±5,21
12 1118±7,56 960±8,27 1104±6,36 1417,33±8,58
25 1715±9,23 889±9,35 1624±7,23 1421,24±12,22
Упругая деформация [%] Время, нед 6 1,42±0,30 1,77±0,34 1,51±0,37 2,54±0,21
12 1,54±0,35 1,96±0,25 1,45±0,31 2,32±0,45
25 4,24±0,21 1,63±0,28 2,94±0,22 2,14±0,22
Восполнение дефекта УНИ в сроке 6 недель позволяет достичь уровня прочности как до получения травмы. С течением времени замещения его костью не происходит, на границе кости и материала, а также в самом имплантате накапливаются микроповреждения, и мы наблюдаем, как упруго - прочностные свойства кости неуклонно снижаются.
По результатам сканирующей электронной микроскопии, Остеоматрикс и bTCP подвергаются резорбции и диссоциации в биологической среде, постепенно замещаясь молодой костной тканью. При этом скорость биодеградации bTCP значительно ниже, чем у Остеоматрикса, поэтому новая кость более плотно контактирует с имплантатом. УНИ не интегрирует с окружающей костью и не замещается ей.
Полученные нами данные подтверждают результаты исследований других авторов. Например, Wang G. и соавт., 2014, было показано, что введение имплантата в область проксимального и дистального эпиметафиза большеберцовой кости коз в результате неравномерного распределения напряжений на границе кость - имплантат приводит к накоплению перифокальных
микроповреждений, что ведет к активации перестройки костной ткани и изменению соотношения ее элементного состава [11].
Другая группа ученых под руководством Lorenz J. и Eichler K., 2016, провели исследование эффективности
ксенопластического материала Bio-Oss® для
замещения костных дефектов после удаления опухоли. В результате применения материала получены хорошие клинические результаты, происходило замещение имплантата костной тканью и увеличение плотности кости в целом [7], что противоречит результатам нашего исследования.
Интересная работа представлена Б1ассЫ С. и соавт., 2017, которыми было выполнено сравнение клинических результатов
аугментации дна верхнечелюстной пазухи с использованием гидроксиапатита и ксенокости у 28 пациентов. Использование обоих материалов позволило получить
жизнеспособную костную ткань. Значимых различий в механических свойствах кости обнаружено не было [10].
Выводы.
1. Применение современных синтетических материалов для костной пластики является доступной, безопасной и эффективной альтернативой аутотрансплантации.
2. К основным требованиям, предъявляемым к остеозамещающему материалу, относятся биосовместимость, достаточная механическая прочность, обеспечивающая условия для роста кровеносных капилляров, и способность стимулировать регенерацию костной ткани в области повреждения.
3. Из трех исследуемых материалов ЬТСР в наибольшей степени соответствует перечисленным требованиям, поэтому находит широкое применение в практической медицине.
Список литературы
1. Красножен В.Н. Экспериментальное обоснование применения полимерных имплантов в ринологии / В.Н. Красножен, Е.М. Покровская, А.Н. Михалин //Российская ринология. 2013. - Т. 21. - № 2. - С. 17-18.
2. Лукина Ю.С. Получение индивидуальных 3В-имплантатов для костной пластики на основе кальциймагнийфосфатных материалов / Ю.С. Лукина, Н.В. Свентская, Д.В. Андреев // Международный научно-исследовательский журнал. - 2017. - № 4-1 (58). - С. 121-127.
3. Ступак В.В. Современные материалы, используемые для закрытия дефектов костей черепа / В.В. Ступак, С.В. Мишинов, М.А. Садовой и др. // Современные проблемы науки и образования. - 2017. - № 4. - С. 38.
4. Al-Nawas B. Augmentation procedures using bone substitute materials or autogenous bone - a systematic review and metaanalysis. /B. Al-Nawas, E. Schiegnitz //Eur. J. Oral Implantol. - 2014. - Т. 7 Suppl 2. - P. 219-234.
5. Beom-Su J.L. Improvement of the compressive strength of a cuttlefish bone-derived porous hydroxyapatite scaffold via polycaprolactone coating. / J.L. Beom-Su, K. Myo, J. Kang //Biomed. Mater. Res. - Part B Appl. Biomater. - 2013. - Т. 101 -№ 7. - р. 1302-1309.
6. Corona-Gomez J. Effect of Nanoparticle Incorporation and Surface Coating on Mechanical Properties of Bone Scaffolds: A Brief Review / J. Corona-Gomez, X. Chen, Q. Yang // J. Funct. Biomater. - 2016. - Т. 7 - № 3. - P. 18-28.
7. Lorenz J. Volumetric analysis of bone substitute material performance within the human sinus cavity offormer head and neck cancer patients. A prospective, randomized clinical trial. / J. Lorenz, K. Eichler, M. Barbeck et al. //Ann Maxillofac Surg. - 2016. - Т. 6 (2). - p. 175-181.
8. Lu L. Biocompatibility and biodegradation studies of PCL/fi-TCP bone tissue scaffold fabricated by structural porogen method. /L. Lu, Q. Zhang, D. Wootton et al. // J. Mater. Sci. Mater. Med. - 2012. - Т. 23. - № 9. - P. 2217-2226.
9. Rohra N. Functional and Radiological Outcome of Schatzker type V and VI Tibial Plateau Fracture Treatment with Dual Plates with Minimum 3 years follow-up: A Prospective Study / N. Rohra, H. S. Suri, K. Gangrade // J Clin Diagn Res. - 2016. -5 (10). - P. 510-524.
10. Stacchi C. Histologic and Histomorphometric Comparison between Sintered Nanohydroxyapatite and Anorganic Bovine Xenograft in Maxillary Sinus Grafting: A Split-Mouth Randomized Controlled Clinical Trial / C. Stacchi, T. Lombardi, F. Oreglia et al. //Biomed Res. Int. - 2017. - Т. 2017.
11. Wang G. Changes in the mechanical properties and composition of bone during microdamage repair / G. Wang, X. Qu, Z. Yu //PLoS One. - 2014. - Т. 9 - № 10. - С. 1-7.
ANALYSIS OF INFLUENCE OF MODERN OSTEOPLASTIC MATERIALS ON BONE
REGENERATION
IZMODENOVAM.Y.1, GILEV M.V.1, ZAYTSEVD.V.2 1FSBEI HE USMUMOH Russia, Yekaterinburg, Russia 2 FSAEI HE UrFU, Yekaterinburg, Russia e-mail: izmodenova96@gmail.com
Abstract
The article presents the results of an experimental study of the effectiveness of the use of osteoplastic materials with various physical, chemical and biological properties in the surgical treatment of structural defects in bone tissue. On 36 females of a rabbit of the clean line of breed the chinchilla was created experimental model of an impression fracture of a medial condyle of a tibia, then to the area of defect the osteoplastic material was established. The animals were euthanized on 6, 12 and 25 weeks after operation. In order to study the degree of maturity of bone regenerates, the parameters of the mechanical strength of the newly formed tissue were assessed at various times after the operation, and the implantation area of the implant was examined by scanning electron microscopy.
Keywords: augmentation, bone regeneration, osteoplastic materials, mechanical properties.
