CC BY
179
УДК 616.71-089.843:678.742.2
A.Н. Копылов1, А.В. Максимкин2, Н.Ю. Анисимова1, Ф.С. Сенатов2, Д.И. Чуков 2,
B.В. Чердынцев2, О.В. Лебединская3, М.В. Киселевский1
СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ПОЛИЭТИЛЕН КАК ОСНОВА ПОРИСТЫХ ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ IN VIVO
ФГБУ «РОНЦ им Н.Н. Блохина» РАМН, Москва
2Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» ( НИТУ «МИСиС»), Москва 3Пермская Государственная медицинская академия им.Е.А. Вагнера
Контактная информация
Копылов Алексей Николаевич, аспирант лаборатории клеточного иммунитета НИИ ЭДиТО адрес: 115478, Москва, Каширское шоссе, д. 24; тел. +7(499)324-27-94 e-mail: lex.kopYlov@gmail.com
Статья поступила 24.10.2013, принята к печати 01.11.2013.
Резюме
Целью работы являлось проведение исследования физических и биологических свойств образцов пористого материала на основе СВМПЭ, полученных на базе МИСИС, для оценки перспективности применения с целью замещения дефектов костной ткани. Проведенные исследования структуры экспериментальных образцов на основе СВМПЭ показали, что они характеризуются большим количеством открытых проходных пор размером более 100 мкм. Общая пористость образцов составляет 79 %, при этом максимально представлены поры 0 около 200 мкм. Описанные структурные особенности, очевидно, определяют выраженные остеокондуктивные свойства исследуемого материала, что было установлено по результатам ортотопической трансплантации крысам. Через 60 суток констатировали значительную резорбцию имплантата с формированием в его толще множественных участков неоостеогенеза. В целом полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования пористого СВМПЭ для создания имплантатов с целью замещения и репарации дефектов костей.
Ключевые слова: СВМПЭ, замещение дефекта, репарация, кость, имплантат.
A.N. Kopylov1, A.V.Maximkin2, N.Yu.Anisimova1, F.S. Senatov2, D.I. Chukov2, V.V. Tcherdyntsev2, O.V. Lebedinskaya3, M.V.Kiselevsky1
POROUSULTRA-HIGH-MOLECULAR-WEIGHT POLYETHYLENE IMPLANTS
FOR POLYETHYLENE IMPLANTS FOR BONE DEFECTS REPLACEMENT AN IN VIVO STUDY
'FSBI «N.N. Blokhin RCRC» RAMS, Moscow
2National University of Science and Technology MISIS
3E.A. Vagner State Medical Academy, Perm
Abstract
The aim of following study is studying physical and biological features of the porous material made of UHWMPE, acquired in MISIS. We need to estimate the perspectives of this material for bone defect replacement. Performed studies showed that this material has a lot of exit pore spaces with more than 100 mcm size. Porousity of the samples of this material is 79 % and pore spaces with 200 mcm is the most common size found in this material. Described structural features determine osteoinductive characteristics, which were found after performing orthotopictrans-plantology in rats. In 60 days we found significant resorbtion of the implant and formation of new bone tissue. Acquired
results show that this material can be considered as perspective for making implants for bone defects replacement.
Key words: UHWMPE, bone regeneration, implant.
Введение
Восстановление костной ткани является чрезвычайно важным и актуальным разделом медицины. Костная ткань способна к естественной регенерации, но в некоторых случаях, при очень большом повреждении, естественной способности кости к регенерации оказывается недостаточно -например, при резекции остеосарком или множественных переломах, следовательно, может потребоваться помощь извне для восстановления ткани[10]. Одним из наиболее перспективных методов восстановления кости является использование биоим-плантатов - как синтетического так и биологического происхождения [10]. За рубежом уже налажен выпуск пористых имплантатов на основе поли-этиленов в качестве заместителей тканей опорно-двигательной системы человеческого организма. Пористый каркас этих имплантатов, в сочетании с
биосовместимыми свойствами полиэтилена являются прекрасной основой для выращивания новой ткани [6; 8; 10]. Лидером среди таких материалов являются имплантаты, производимые под маркой МЕБРОК. В России на сегодняшний день выпуск имплантатов подобного типа полностью отсутствует. Мы предлагаем к использованию высокопористые имплантаты, выполненные из полиэтилена, с молекулярной массой более 2-106 г/моль (СВМПЭ), полученные на базе МИСИС в соответствии с методикой, разработанной специалистами [5].
Столь высокая молекулярная масса придают полимеру качественно новые свойства и гораздо лучшую химическую устойчивость к различным агрессивным, в том числе - и биологическим, средам по сравнению с другими марками полиэтилена.
Как известно, кондуктивность является одним из основных преимуществ выбора пластического материала в качестве основы эндопротеза.
40 ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ПОЛИЭТИЛЕН...
Это свойство обеспечивается как биосовметимо-стью, обусловленной химическими свойствами соединения, так и структурой материала. Основываясь на вышеизложенном, целью нашей работы являлось проведение исследования физических и биологических свойств образцов пористого материала на основе СВМПЭ, полученных на базе МИСИС, для оценки перспективности применения с целью замещения дефектов костной ткани.
Материалы и методы
Образцы СВМПЭ
Для исследования были взяты образцы СВМПЭ, изготовленные из смеси порошка СВМПЭ и соли в массовом соотношении 1 : 9 соответственно, по методике, описанной Максимкиным А.В. с соавт. [5]. Из материала были изготовлены образцы цилиндрической формы размером 4*1,8 мм.
Исследования пористой структуры имплан-татов проводили с использованием методов СЭМ, на низковакуумном сканирующем микроскопе «Ш-1асЫТМ-1000». Расчёт объёмного распределения пор по размерам в имплантате проводили, анализируя изображения на микрофотографиях, полученных по методу секущих (ГОСТ 21073.3-75).
Лабораторные животные
В качестве лабораторных животных были взяты крысы линии «Вистар» массой 200-300 г, n = 5,самцы.
Схема эксперимента
Формирование дефекта. Крысы были наркотизированы диэтиловым эфиром, после чего были рассечены кожа и мышцы на голени крысы и обнажена медиальная поверхность большеберцовой кости. С помощью бора в поверхности кости был сформирован дефект диаметром 1,8 мм.
Имплантация. В сформированный дефект кости каждой крысы был помещен образец. После этого были наложены швы. Крыс помещали в виварий со стандартными условиями.
Забор и исследование материала. Через 60 суток крыс подвергали эвтаназии и изымали для исследования большеберцовые кости с имплантированными образцами СВМПЭ. Кости были последовательно подвергнуты декальцинации с помощью Трилона В, стандартной гистологической проводке, и были приготовлены гистологические препараты, окрашенные гематоксилином и эозином.
Препараты были изучены под световым микроскопом Carl Zeiss Axioplan.
Результаты
Исследование структуры
Расчёт объёмного распределения пор по размерам в имплантате проводили с использованием микрофотографий полученных на электронном микроскопе по методу секущих [ГОСТ 21073.3-75]. На рис. 1 представлены микрофотографии пористой структуры исследуемого имплантата на основе СВМПЭ. Микрофотографии получены методом СЭМ.
Из рис. 1 видно, что имплантат обладает открытыми проходными порами. Размер пор в им-плантате определяется размером вводимого легкорастворимого наполнителя и может регулироваться в широком диапазоне.
Рис. 1. Пористая структура полимерного импланта-та на основе СВМПЭ, сканирующая электронная микроскопия:
А: Увеличение х60;
Б: Увеличение *100.
На рис. 2 представлена гистограмма распределения пор по размерам для данного материала. Приведенные данные демонстрируют, что основное место в данном материале занимают макропоры размером > 100 мкм. Наибольшей объёмной концентрацией обладают поры размером около 200 мкм. С дальнейшим увеличением размеров пор их объёмная концентрация постепенно снижается. Проведенные расчеты показали, что общая пористость имплантата составляет 79 %.
0.18 0.29 0.39 0.49 Размер пор, мм
0.60 0.70
Рис. 2. Диаграмма распределения пор по размерам. Высота столбца показывает объемную долю пор, толщина столбца - размах величины.
Исследование биосовместимости in vivo В течение 60 сут после операции крыс содержали в виварии и они могли свободно передвигаться, используя при перемещении прооперированные конечности.
Приведенная макрофотография свидетельствует об отсутствии каких- либо признаков воспаления и разрушения кости или имплантата на момент окончания эксперимента (рис. 3).
Рис. 3. Большеберцовая кость крысы с имплантом сразу после изъятия, стрелкой отмечен имплант.
Как видно на рис. 4 (см. вклейку), в имплан-тате происходил активный неоостеогенез, при более крупном увеличении видна многоядерная клетка на поверхности имплантата, видно место прикрепления клетки с следами резорбции на поверхности имплантата.
После выведения животных из эксперимента, были изъяты кости с имплантированными образцами, на макроуровне не было обнаружено каких-либо признаков воспаления и разрушения. Кости сохранили целостность, имплантат по-прежнему был плотно вставлен в дефект и прочно укреплен в нем (рис. 3) В прилежащих к кости тканях также не было обнаружено каких-либо признаков воспаления.
На микроуровне во время изучения препаратов внутри имплантата были обнаружены участки неостеогенеза (рис. 4), в том числе - и в части им-плантата, погруженной в костномозговой канал. При этом признаков массовой инфильтрации экзогенного материала лейкоцитами, макрофагами или гистиоцитами не наблюдалось. Также на краевой поверхности имплантата были обнаружены многоядерные клетки, идентифицированные нами как остеокласты, которые резорбировали экзогенный материал. В частности на рис. 4 Б видна как сама клетка, так и место ее прикрепления, а также участок имплантата, поврежденный клеткой.
Обсуждение
Проведенные исследования структуры экспериментальных образцов на основе СВМПЭ показали, что он характеризуется большим количеством открытых проходных пор размером > 100 мкм. Общая пористость образцов составляет 79 %, при этом максимально представлены поры размером около 200 мкм. С дальнейшим увеличением размеров пор их объёмная концентрация постепенно снижается. Определенный нами диапазон распределения размеров пор в экспериментальных образ-
цах соответствует существующим представлениями об их оптимальном содержании в имплантатах для замещения костных дефектов, согласно которым размер пор должен лежать в диапазоне от 80 мкм до 500 мкм [3]. Такая пористая структура обеспечивает оптимальные процессы прорастания им-плантата костной тканью и стимулирует процессы васкуляризации, а также определяет его механические свойства - он очень пластичен и легко восстанавливают свою форму после снятия напряжений [3]. Разработанные пористые имплантаты обладают небольшой прочностью, порядка 1 МПа при сжатии.
Описанные структурные особенности, очевидно, определяют выраженные остеокондуктив-ные свойства исследуемого материала.
Высокая остеоиндуктивность является одной из положительных характеристик данного материала, это показано присутствием новообразованной ткани внутри материала на 60 сут после имплантации. Это ожидаемый результат при использовании пористых материалов, из-за пор происходит ухудшение механических характеристик, но в то же время это обеспечивает остеоиндуктивность В этом наш материал отличается от непористого, который имеет высокие механические характеристики, но отсутствие пор лишает его остеиндуктивности.
Также были замечены многоядерные клетки, резорбирующие поверхность СВМПЭ, на фотографиях видны клетка и участок поверхности имплан-та, который подвергся биорезорбции со стороны клетки, при большом увеличении видны следы резорбции на ровной поверхности (рис. 4, Б).
В литературных данных можно найти статьи, где описывается разрушение импланта из СВМПЭ. С одной стороны это можно считать преимуществом, так как постепенно имплант будет резорбиро-ван и полностью заместится костной тканями реципиента. Но с другой стороны — при разрушении имплантата на основе СВМПЭ образуются частицы износа, которые, как видно из литературных источников, могут привести к привлечению и активации клеток иммунной системы, что может вызвать ос-теолиз и другие негативные последствия, данный недостаток присущ очень многим материалам для создания биоимплантов [4].
Учитывая вышесказанное, можно предположить перспективность применения данного пористого материала в сочетании со сплошным СВПМЭ для создания многослойного имплантата для замещения дефектов костной ткани. При этом пористый материал может быть использован в качестве внутреннего слоя для закрепления имплантата в кости, а сплошной - в качестве внешнего слоя, например для протезирования суставной поверхности. Также данный пластический материал может быть перспективен для восстановления костей в тех зонах, где высокая механическая прочность не очень важна - например, для челюстно-лицевой хирургии.
Заключение
Проведенные исследования позволяют сделать заключение о том, что пористый СВМПЭ, полученный на базе НИТУ «МИСИС», является перспективным материалом для создания биоимплан-тов, так как обладает ценными физическими и биологическими свойствами, в частности - остеоин-дуктивностью. Однако, учитывая сведения о побочных эффектах применении СВМПЭ из-за его интенсивной резорбции клетками организма [7; 9]
42
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ПОЛИЭТИЛЕН..
и, следовательно, износа после имплантации, необходимо продолжать работы по модификации этого материала за счет создания композитов или внесения в его состав антиоксидантов [1].
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.А18.21.0115.
Литература
1. Bladen C., Teramura S., Russell S. et al. Analysis of wear, wear particles, and reduced in flammatory potential of vitamin Eultrahigh-molecular-weightpolyethylene for use in total joint replacement // J Biomed Mater Res B ApplBiomater. - 2013. - 101(3). - P.458-66. doi: 10.1002/jbm.b.32904. Epub 2013 Feb 22.
2. Dimitriou R., Jones E., McGonagle D., Giannoudis P. Bone regeneration: current concepts and future directions // BMC Med. - 2011. - 9. P. 66. doi: 10.1186/1741-7015-9-66.
3. Fisher J. and Reddi A. Functional Tissue Engineering of Bone: Signals and Scaffolds // Topics in Tissue Engineering. - 2003.
4. Hallab N., Jacobs J. Biologic effects of implant debris // Bull NYU HospJt Dis. - 2009 - 67(2) - P. 182-8.
5. Maksimkin A., Kaloshkin S.,Tcherdyntsev V. et al. Technologies for manufacturing ultrahigh molecular weight polyethylene-based porous structures for bone implants // Biomedical Engineering. - 2013. - 47(2).
6. Pandey N.D., Ray A., Saha T.K. Mandibular augmentation with the high density porous alloplastic implant: a case report // Journal of the Indian dental association. - 2011. - 1(1). - P. 18-21.
7. Ren P., Irani A., Huang Z. et al. Continuous infusion of UHMWPE particles induces increased bone macrophages and osteolysi s// ClinOrthopRelat Res. - 2011. - 469(1). - P. 113-22. doi: 10.1007/s11999-010-1645-5.
8. Romo T., Luc G.T., Shari D. et al. Reconstruction of congenital microtia-atresia. Outcomes with the med-por/bone-anchored hearing aid-approach // Annals of plastic surgery. - 2009. - 62. - P. 384-9.
9. Sobieraj M., Rimnac C. Ultra high molecular weight polyethylene: mechanics, morphology, and clinical behavior // J MechBehav Biomed Mater. - 2009. - 2(5). - P. 433-43. doi: 10.1016.
10. Wellisz T. Clinical Experience with the Medpor Porous Polyethylene Implant // Aesthetic Plastic Surgery. -1993. - 17 - P. 339-44.
- P. 73-7.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИИ
СВМПЭ СЭМ
- сверхвысокомолекулярный полиэтилен
- сканирующая электронная микроскопия
UHWMPE
ultra-high-molecular-weight polyethylene
НАУЧНЫЕ ЖУРНАЛЫ РОНЦ ИМ. Н.Н. БЛОХИНА РАМН
