Study of Intraosseous Implant Osteointegration withVarious Types of Coating in Experiment

Full Text

Введение. В настоящее время прослеживается тенденция к ежегодному увеличению количества эндопротезирования крупных суставов не только за рубежом, но и в РФ. Потребность в подобных операциях в нашей стране составляет более 300 тыс. в год [1-3]. Вместе с тем растет число осложнений, одним из которых является асептическая нестабильность, зачастую требующая проведения ревизионного вмешательства [4-6]. Консервативное лечение асептической нестабильности требует значительных материальных затрат и не всегда эффективно, поэтому создание специальных покрытий эндопротезов, способных стимулировать остеоинтеграцию, представляется наиболее целесообразным [7]. Цель исследования: изучить в эксперименте влияние разных типов покрытий внутрикостных имплантатов на процессы их остеоинтеграции. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Для исследования ЗАО ТРЕК-Э Композит (Москва) были изготовлены 4 группы штифтов (рис. 1) круглого сечения диаметром 4 мм и длиной 20 мм [8]. Штифты 1-й группы изготовлены из медицинской стали, 2-й группы - из титанового сплава ВТ6 с модифицированной методом химико-термической обработки (ХТО) поверхностью (в результате ХТО на поверхности изделия образуется нанослой повышенной твердости из карбидов, оксидов и нитридов титана) [9], 3-й группы - из титанового сплава ВТ6 с композиционным покрытием из кальция фосфатов (КФ) и 1% германия, нанесенным методом микродугового оксидирования, и 4-й группы - из того же сплава с композиционным покрытием из КФ и 5% германия [10, 11]. Эксперименты проведены на 29 беспородных кошках мужского пола массой от 2500 до 3400 г в возрасте от 1,5 до 4 лет, разделенных на 4 группы по 9, 8, 5 и 7 животных в соответствии с группами штифтов. Выбор обусловлен достаточными размерами их бедренных костей и выживаемостью при вмешательствах на двух задних конечностях. Содержание и уход проводили согласно требованиям «Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей» [12], рекомендациям по кормлению и содержанию лабораторных животных, а также Приказу Минздрава СССР от 12.08.1977 № 755 и общепринятым стандартам в экспериментальном моделировании. Под внутримышечным наркозом золетилом в дозе 15 мг/кг с премедикацией атропина сульфатом в дозе 0,04 мг/кг подкожно и 0,2% раствором рометара в дозе 0,1 мл на 100 г массы тела выполняли разрез кожи и подлежащих тканей по наружной поверхности в верхней трети задней конечности длиной до 1,5 см [13]. Обнажали вертлужную ямку, откуда сверлом диаметром 4 мм формировали канал в дистальном направлении бедренной кости, в который с помощью специальной насадки-экстрактора устанавливали штифт (рис. 2). На противоположной стороне проводили аналогичное вмешательство. Раны послойно ушивали. Животных выводили из опыта через 3 мес (средние сроки срастания переломов бедренных костей у кошек) с соблюдением правил биомедицинской и ветеринарной этики [14]. Под внутримышечным наркозом золетилом в дозе 15 мг/кг в нижнюю полую вену вводили 20 мл 10% раствора магнезии. После остановки сердечной и дыхательной деятельности изымали кости и готовили макропрепараты, которые фиксировали в 10% растворе формалина. Проводили рентгенографию для уточнения местоположения штифтов. Далее на микротомографе SkyScan 1176 выполняли анализ статической картины остеоинтеграции штифтов. Для этого оценивали визуальные признаки разрежения (рарефикации) костной ткани в областях, удаленных от имплантированного штифта (шейка бедренной кости). Биомеханическим испытаниям (определение сил сцепления имплантатов с костью) подвергли 45 макропрепаратов (в одном случае испытание не состоялось по техническим причинам). Исследования проводили в испытательной лаборатории ЦИТО им. Н.Н. Приорова на универсальной испытательной машине Walter+Bai AG LFV 10-50T. В процессе исследования оценивали предел прочности соединения «штифт-кость» (максимальная нагрузка (в кН), фиксируемая при извлечении штифта из кости). Для этого макропрепарат бедренной кости экспериментального животного закрепляли в тисках машины. В резьбовое отверстие штифта ввинчивали насадку-экстратор, которую фиксировали в захвате машины. Далее постепенно извлекали имплантат из кости со скоростью 5 мм/мин. Полученные данные обрабатывали с помощью программного обеспечения DionPro и программного комплекса IBM SPSS StatisticsVer.21 по аналогии с [15, 16]. Поскольку отсутствие учета погрешности измерений (в наших экспериментах до 0,4%) может приводить к ошибочной интерпретации результата проверки статистической гипотезы, проводили варьирование исходных данных по каждой из групп в пределах погрешности измерений [17]. Установили, что погрешность измерений не влияет на полученные ранее выводы о нормальности, однородности и статистической значимости различия сравниваемых групп. После извлечения штифтов готовили микропрепараты и проводили гистологическое исследование зоны имплантации штифтов. Из проксимальных отделов бедренных костей приготовили 46 поперечных пластинок толщиной 5 мм. Их помещали в 4% раствор азотной кислоты при температуре воздуха 18-22°С на 3 нед. Обезвоживание проводили спиртами возрастающей концентрации, заливали материал парафином. Гистологические срезы толщиной 7-10 мкм окрашивали гематоксилином и эозином [18]. Световую микроскопию проводили на микроскопах Karl Zeiss Jena (Германия) и БИОЛАМ (ЛОМО) с различным увеличением. РЕЗУЛЬТАТЫ По данным рентгенографии все штифты располагались внутрикостно с достаточной глубиной имплантации, подавляющее большинство - строго по продольной оси бедренной кости, некоторые - с незначительным отклонением от нее. Это обеспечивало высокую точность исследований сил сцепления штифтов с костной тканью. Выявленное в ходе рентгеновской компьютерной микротомографии умеренное разрежение (рарефикация) костной ткани в шейках бедренных костей является косвенным признаком регенераторного процесса - организм «переводит» минеральную (рентгенконтрастную) составляющую костной ткани в зону выраженной регенерации (рис. 3). Максимально выраженное (64,3% случаев) разрежение кости в шейках бедренных костей наблюдалось в 4-й группе макропрепаратов (штифты из сплава ВТ6 с покрытием из фосфатов кальция и 5% германия), менее выраженное (50% случаев) - в 3-й группе (штифты из сплава ВТ6 с покрытием из фосфатов кальция и 1% германия). То есть регенеративные процессы в костной ткани максимально выражены в 4-й группе, несколько меньше - в 3-й. По результатам биомеханического исследования статистическим анализом установлена нормальность и однородность исследуемых распределений сил сцепления имплантатов с костной тканью, что позволило использовать формат представления данных в виде M±s, где M - среднее арифметическое значение, а s - выборочное стандартное отклонение (табл. 1). С целью выявления статистически значимого различия сил сцепления в группах имплантатов использовали t-критерий Стьюдента для независимых выборок. Для математически корректного применения этого критерия необходимо, чтобы полученные числовые значения были близки к нормальному закону распределения, а дисперсии выборок этих значений статистически значимо не отличались друг от друга (данные условия были проверены при помощи программы IBM SPSS Statistics). В табл. 2 приведены результаты расчета числа степеней свободы df, эмпирического значения критерия Стьюдента tэ и минимального уровня значимости p2, при котором можно отвергнуть нулевую гипотезу о равенстве средних двух генеральных совокупностей, из которых извлечены независимые выборки. Если p2≤0,05, то гипотеза о равенстве средних отвергается (достоверное различие средних); если p2 ≥ 0,05, то гипотеза о равенстве средних принимается (статистически значимое различие отсутствует). Как видно из табл. 2, статистически значимо (достоверно) средние различались в следующих парах независимых выборок: медицинская сталь - КФ+германий 1%; медицинская сталь - КФ+германий 5%; КФ + германий 1% - ВТ6+ХТО; КФ+германий 5% - ВТ6+ХТО. В ходе гистологического исследования установлено, что при имплантации штифтов из медицинской стали (1-я группа) стенки костномозговых каналов были выстланы волокнистой соединительной тканью. Местами на ее поверхности имелись небольшие очаги пролиферации фибробластов с формированием молодой костной ткани. В некоторых гаверсовых сосудах компактной костной ткани определялись белковые тромбы (рис. 4). Во 2-й группе гистологических препаратов (штифты с модифицированной методом ХТО поверхностью) внутренняя поверхность трубчатой кости была с небольшим количеством разрушенных балок (рис. 5). Часть остеоцитов некротизирована. Имелись очаги умеренной пролиферации остеобластов с формированием молодой костной ткани. Гаверсовы системы компактной костной ткани умеренно расширены. Местами определялись обширные очаги пролиферирующих остеобластов и новообразованные сосуды. В 3-й группе микропрепаратов (штифты, покрытые КФ и 1% германием) фрагменты трубчатой кости (внутренняя поверхность) характеризовались рядом морфологических изменений. В некоторых наблюдениях эта поверхность была покрыта тонким слоем мелкозернистой инородной массы (рис. 6, а). Там же располагались формирующиеся гаверсовы системы с наличием данных масс на внутренней поверхности каналов (рис. 6, б). Это можно трактовать как следствие включения материала покрытия в регенерирующую костную ткань. Имелись небольшие скопления остеобластов и остеокластов. В 4-й группе микропрепаратов (штифты, покрытые кальция фосфатом и 5% германием) на внутренней поверхности трубчатой кости имелись более массивные наложения крупнозернистой инородной массы. Она покрывала формирующиеся костные балки (рис. 7, а). Местами отмечено врастание остеобластов в данную массу, что может свидетельствовать о начале формирования костных балок (рис. 7, б). Фрагменты инородной массы образовывали выстилку костного канала (рис. 7, в). На внутренней поверхности костной трубки визуализировались многочисленные фрагменты разрушенных балок, подтверждающие их тесный контакт с покрытием штифта и их разрушение при его извлечении во время биомеханических испытаний. Таким образом, процессы остеоинтеграции и регенерации костной ткани преобладали в 3-й и 4-й группах (более выражены в 4-й группе). ОБСУЖДЕНИЕ В настоящее время кальцийфосфатные материалы (КФМ) широко применяются в медицине для замещения дефектов костной ткани и создания биосовместимых покрытий имплантатов. Для улучшения ряда свойств КФМ многие авторы рекомендуют создавать на их основе композиты за счет добавления легирующих элементов [19-22]. С целью улучшения прочностных характеристик КФМ в них вводят дисперсные частицы частично стабилизированного диоксида циркония (ZrO2), молекулы полимеров и другие вещества. Например, разработаны композиционные материалы на основе полиэтилена. Однако полиэтилен является биоинертным материалом и снижает остеоинтегративную способность [20, 21]. Известны работы, направленные на изучение композитов гидроксиапатит (ГА) - коллаген, которые по составу схожи с естественной костью [9]. В качестве полимеров используют не только коллаген, но и желатин, хитозан, полилактиды, полигликолиды и т.д. [9]. Ряд исследователей указывает на увеличение биоактивности КФМ при добавлении в них кремния [22]. В оригинальной работе материалы на основе анионмодифицированного ГА были ранжированы по степени их биоактивности в ряду: Si-ГА >CO2-ГА > ГА [22]. Другими авторами отмечен стимулирующий эффект кремния по отношению к пролиферации хондроцитов in vivo. Предполагается, что электромагнитные поля, генерируемые клетками эластичного или суставного хряща, при отражении от полупроводниковых кристаллов кремния стимулируют регенерацию хрящевой ткани [23, 24]. И.А. Скрипникова и соавт. подчеркивают роль микроэлемента кремния в процессах ремоделирования костной ткани и обосновывают возможность использования кремнийсодержащих добавок в комплексной профилактике остеопороза [25]. Доказано участие кремния в развитии соединительной ткани, формировании и минерализации костной ткани; отмечен положительный эффект кремнийсодержащих добавок на костную массу и маркеры костного метаболизма [25]. Возникает резонный вопрос: какое сходное по химической структуре и физическим свойствам с кремнием вещество, при этом обладающее более широким спектром биологических эффектов, можно добавить к КФМ для улучшения их свойств? Таким веществом является германий, обладающий значительным сходством с кремнием по структуре и свойствам. Многими исследователями отмечены антимикробные, иммуномодулирующие, противоопухолевые, гемопоэтические свойства германия и его соединений [26, 27]. В работе [28] выявлена его способность стимулировать рост фибробластов. При этом данных об использовании германия в составе КФМ нами при анализе литературы обнаружено не было, что и послужило поводом для исследования. Выводы 1. По данным компьютерной микротомографии процессы регенерации костной ткани преобладают вокруг штифтов с композиционным покрытием на основе КФ и германия по сравнению с остальными группами. С увеличением концентрации германия данные процессы усиливаются. 2. Согласно результатам биомеханических исследований сила сцепления имплантатов с костью достоверно выше в группах штифтов с композиционным покрытием на основе КФ и германия по сравнению с остальными группами. Увеличение концентрации германия в покрытии статистически значимо не влияет на силу сцепления. 3. Результаты гистологического исследования показывают, что образование костной ткани и ее взаимодействие с поверхностью имплантатов более выражены в группе штифтов с композиционным покрытием на основе КФ и германия. Увеличение концентрации германия в покрытии усиливает данные процессы. Авторы статьи выражают благодарность сотрудникам ФГБУ «ЦИТО им. Н.Н. Приорова» Минздрава России: канд. биол. наук В.В. Зайцеву за проведение компьютерной микротомографии; доктору техн. наук, проф. Н.С. Гаврюшенко и Л.В. Фомину за проведение биомеханических испытаний.

About the authors

E. A Nazarov

Ryazan State Medical University named after academician I.P. Pavlov

V. G Papkov

Ryazan State Medical University named after academician I.P. Pavlov

S. A Kuz’manin

Ryazan State Medical University named after academician I.P. Pavlov

Email: sinnersk@yandex.ru

I. G Vesnov

Ryazan State Radio Engineering University, Ryazan’

References

Supplementary files