EXPERIMENTAL STUDY OF REPARATIVE PROPERTIES OF TITANIUM CELLULAR STRUCTURES

Full Text

Введение Методы замещения костных дефектов челюстей с использованием различных видов имплантатов на протяжении последних 20 лет получили широкое распространение. Научному обоснованию их применения, поиску дальнейших путей совершенствования посвящены многочисленные экспериментальные и клинические исследования отечественных и зарубежных авторов [1, 3, 4]. Несмотря на достигнутый прогресс в технологии изготовления пористых имплантатов и их покрытия, остаются вопросы, требующие решения: разработка оптимального объема имплантата, соответствующего анатомическому строению кости челюсти, определение размера его пор, в которые будут врастать те или иные структуры кости, реакция тканей организма на имплантат и др. [5, 6]. Одним из наиважнейших свойств имплантатов является то, чтобы их поверхность, помимо остеокондуктивности, способствовала бы процессу остеогенеза в них. Применение ячеистых имплантатов из металла, обладающих меньшей жесткостью, по сравнению с монолитными, может позволить приблизиться к решению проблемы биомеханического соответствия между имплантатом и структурой костной ткани. Однако этот вопрос требует детальной проработки. На наш взгляд, таким биомеханическим соответствием обладает ячеистая структура Вигнера - Зейтца, которую можно создать только с помощью инновационных технологий путем вспенивания расплава материала газами при суспензионном дублировании полимерной матрицы [7, 8]. Цель исследования - с помощью металлографии определить архитектонику ячеистых имплантатов, изготовленных методом стерилитографии. В условиях эксперимента сравнить структуру различных материалов и их степень фиксации в кости (ячеистого титана, «Углекона-М» и пористого титана). Материалы и методы исследования Исследования проводились на базе Пермского национального исследовательского политехнического университета и центральной научно-исследовательской лаборатории Пермского государственного медицинского университета имени академика Е.А. Вагнера. Размеры модели будущих имплантатов составляли 6×10×8 мм, размеры элементарных ячеек Вигнера - Зейтца - 250; 550; 850 мкм и до 2 мм, толщина перемычек - 0,05 мм. Модель рассекалась на слои в программном пакете Magics; создавался файл модели и поддержек формата STL. Для изготовления имплантата использовали технологию стереолитографии (Stereolithoqraphy-SLA): газовый (СО2) лазер мощностью 200 Вт [2]. Выращивание металлических образцов проводилось на установке для селективного лазерного спекания Realizer SLM 50. С целью изучения ячеистой структуры имплантатов, а также микроскопической картины самого металла были проведены исследования на «Альтами МЕТ-5Д» - универсальном металлографическом микроскопе, применяемом для работы в отраженном свете и позволяющем использовать методы светового поля, темного поля поляризации, дифференциально-интерференционного контраста, а также для изучения прозрачных и полупрозрачных объектов в проходящем свете. Нами исследованы объекты при увеличении 50х; 100х; 200х. Перед тем как изделие поместить в световой микроскоп, проводили запрессовку образцов с целью дальнейшего получения шлифов на заливочном прессе LECO PR4X и обрабатывали концентрированной плавиковой кислотой. В качестве материала для запрессовки использовали бакелит. Вначале исследованию подверглись имплантаты с ячейками 250 мкм, а затем 550 и 850 мкм при увеличении от 50х, 100х до 200х, которые не содержали какую-либо ткань. В последующем изделия, удаленные из челюсти беспородных крыс, изучали в отраженном свете. Была дана сравнительная характеристика титановых структур, образующих ячейки имплантатов, с имплантатами из «Углекона-М» и пористого титана, полученных методом металлографии. Изучены препараты в световом микроскопе при увеличении 100х и 200х. В течение 9 месяцев экспериментального исследования получены сравнительные данные IV степени фиксации имплантатов, основу которых составляли ячейки Вигнера - Зейтца, а также имплантатов из пористого «Углекона-М» и пористого титана. Результаты и их обсуждение При увеличении в 50х выявлена структура (ячейка Вигнера - Зейтца) в виде полого шара, геометрически правильной формы, состоящей из множества перемычек, которые жестко соединены между собой. Перемычки, образующие в конечном счете тетракадайтер, имеют шероховато-пористую поверхность за счет наличия многочисленных углублений, вздутий металла в виде мелкопузырчатых образований. Размеры их варьируются от микроскопических до более крупных, и распространены они как с внутренних, так и с внешних сторон перемычек (рис. 1). 19811 Рис. 1. Вид перемычек ячеистого имплантата. Увеличение 50х При исследовании ячеистых имплантатов в отраженном свете при увеличении 100х видна структура, состоящая как бы из отдельных полусфер, образовавшихся в результате вспенивания порошкового металла. Поверхность металла исчерчена глубокими бороздами и провалами. В глубине также прослеживается неровная поверхность перемычек, образующих ячейки. На шлифе при увеличении в 100х в металле перемычек, образующих ячейки, видны мелкие пустоты, размер которых составлял от 10 до 25 мкм, а также прослеживаются микроканальцы диаметром от 5 до 10 мкм, пронизывающие толщу металла или слепо заканчивающиеся. В некоторых участках данные пустоты открываются как на внешних, так и на внутренних поверхностях перемычек. Края сошлифованных металлических перемычек неровные как внутри ячейки, так и с внешней стороны. В отраженном свете при увеличении в 200х в структуре металла выявлено большое количество пустот до 25 мкм величиной, соединенных микроотверстиями, расположенных хаотично, соединяющих данные металлические полости и открывающихся наружу; некоторые из них пронизывают всю толщу металла. При исследовании препаратов в световом микроскопе установлено: в имплантатах с ячейками 250 мкм вросшие тканевые структуры были плотными и однородными, но лишь в области наружных ячеек имплантата, а далее становились рыхлыми и в центре практически отсутствовали. В имплантатах с ячейками 550 мкм проросшие ткани были плотными и однородными, проникая на 2/3 ячеистой структуры имплантата, и лишь в центральных ячейках - рыхлыми и неоднородными. Имплантат с ячейками 850 мкм был полностью заполнен однородными тканевыми структурами, пронизывающими всю структуру имплантата, прилегающими плотно к металлу. Проведенные исследования шлифов ячеистых имплантатов показали, что тканевые структуры плотно соединены с поверхностью перемычек изделия, проникают в многочисленные полости и мелкие пустоты (1), расположенные на их поверхности. Более того, в микроканале перемычки имплантата видна проросшая плотная соединительная ткань, заполняющая все его пространство (2), не уступающая по характеристикам соединительной ткани, расположенной в самих ячейках (рис. 2). P1010004r3 1 2 Рис. 2. Проросшая соединительная ткань в микроканале перемычки имплантата (2), плотно соединенная с поверхностью перемычек изделия (1) Выявлено, что структура перемычек титановых образцов, которые получены методом стериолитографии, характеризуется высокой полиморфностью, связанной с микро- и макропорами. Размер их варьируется от 5 до 50 мкм и составляет 15-30 %. Рельеф поверхности самих перемычек характеризуется впадинами и пустотами, количество которых достигает 8 % (рис.3). Известно что, структура имплантатов из «Углекона-М» является более плотной и более однородной с отсутствием какой-либо зернистости. Размер пор - от 0,3 до 0,9 мм. Структура титановых имплантатов характеризуется также высокой полиморфностью за счет микро- и макропористости. Размер микро- и макропор составляет от нескольких микронов до 0,05 мм. Рельеф поверхности имеет большое количество впадин, образующих пустоты; количество их достигает 8-10 %. При напылении оксида титана рельеф сглаживается, становится плотным, пористость этих образцов становится менее 2-3 %. По окончании эксперимента (через 9 месяцев) IV степень фиксации ячеистых имплантатов определена у 55,6 % животных. В те же сроки IV степень фиксации имплантатов из пористого «Углекона-М» выявлена у 28,6 % животных; имплантатов из пористого титана - у 41,6 % (рис. 4). 19821 1 2 Рис. 3. Большое количество микрои макропор (1), впадин и пустот (2) 3.tif Рис. 4. Сравнительная характеристика степени фиксации ячеистого титана (1), «Углекона-М» (2) и пористого титана (3) Выводы В результате проведенного исследования получены следующие данные: 1. При увеличении в 50х поверхность перемычек, образующих ячейки имплантата, шероховатая, что увеличивает площадь соприкосновения врастающей ткани с металлом. 2. При увеличении в 100х и особенно в 200х рельеф поверхности с большим количеством впадин, образующих пустоты, которые занимают до 8 %. 3. При увеличении в 200х в структуре сошлифованного металла выявлено большое количество пустот до 25 мкм, соединенных микроотверстиями, расположенных хаотично, соединяющих данные металлические полости и открывающихся наружу, некоторые пронизывают всю толщу металла. 4. Перемычки, образующие ячейки имплантатов, по строению имеют структуру пористого титана, обладающую репаративными свойствами. 5. IV степень фиксации ячеистых имплантатов определена у 55,6 % животных, имплантатов из пористого «Углекона-М» - у 28,6 %; из пористого титана - у 41,6%, что указывает на высокие репаративные свойства ячеистых конструкций.

About the authors

V P Vasilyuk

Email: vasilyuk.vladimir53@mail.ru

G I Shtraube

V A Chetvertnykh

References

Supplementary files