The results of the application of the carbon nanostructured implant for tumorous, tumor like and inflammatory spinal diseases in pediatric bone pathology

Full Text

Одной из важнейших проблем детской костной патологии в настоящее время являются вопросы и условия восстановления целостности костных структур при замещении пострезекционных дефектов костей [1]. В практике современной реконструктивной хирургии опорно-двигательного аппарата для замещения дефектов костей все большее распространение получают искусственные материалы [2]. Основными требованиями, предъявляемыми к материалам, используемым для имплантации, являются их надежность и безопасность [3]. Такие материалы должны быть инертны по отношению к живым тканям, не канцерогенны, иметь достаточный запас механической прочности, быть стойкими к воздействию факторов внутренней среды организма [4]. Поиск пластических материалов, которые по своим биологическим характеристикам приближались бы к кости, привел к внедрению в медицинскую практику углеродных композиционных имплантатов [5]. Первые шаги в использовании углерода в медицинской практике приходятся на 60-е годы XX века [6]. Сравнительно хорошая биологическая совместимость и отсутствие иммунологического конфликта открыли перспективы применения изделий из углерода в хирургической практике с целью имплантации. Результаты первых попыток внедрения углеродных материалов в реконструктивной хирургии продемонстрировали их положительные качества. Основное их достоинство - инертность к окружающим тканям [7]. Однако механические свойства обычного углеродного материала не позволили применять его в условиях значительных и даже умеренных механических нагрузок, в связи с чем интерес к углеродным имплантатам в ортопедии на некоторый период времени ослаб [8]. Однако в стремлении найти материалы, которые по своим медико-биологическим характеристикам, насколько это возможно, соответствовали бы кости, было создано новое поколение углеродных композиционных наноструктурных материалов, механические свойства которых могут быть заданы [9]. Прообразом при создании углеродного композиционного материала и изготовления из него углеродных наноструктурных имплантатов (УНИ) стала структура кости человека. Ее можно рассматривать как композиционный материал, армирующей основой которого является оссеин, а связующей матрицей - соли кальция. Структурно материал состоит из армирующей основы - углеродных волокон и связующей их углеродной наноструктурной матрицы. В композите имеются поры, размер которых составляет 600-800 мкм (рис. 1). Рис. 1. Макроструктура углеродного наноструктурного композиционного материала. Ув. 13. Материал называется наноструктурным, так как состоит из графитовых фрагментов размером менее 30 нм. Данная структура композиционного материала максимально приближает его по основным биомеханическим характеристикам (плотность, предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, модуль упругости при сжатии) к кости человека. Таким образом, была разработана инновационная технология получения прочного пористого углеродного композитного материала путем связывания каркаса из углеволокнистых стержней углеродной наноструктурной матрицей, образующейся в процессе пиролиза углеводородной газовой смеси. Данные УНИ выпускаются с 2008 г. российской компанией «НаноТехМед Плюс» (регистрационный номер медицинского изделия РЗН2014/2080). Перед внедрением в клиническую практику УНИ были подвергнуты ряду экспериментальных и лабораторных испытаний. Биомеханические тесты подтвердили высокую механическую прочность УНИ [10]: кажущаяся плотность углерода 1,50-1,78 г/см2, открытая пористость не менее 5%, предел прочности при сжатии не менее 30 МПа, предел прочности при изгибе не менее 20 МПа, модуль упругости при сжатии не менее 1,5 ГПа. При проведении санитарно-химических и токсикологических испытаний сертификационно-исследовательским центром (акт № 2503298114 Сертификационного исследовательского центра оценки результатов технических испытаний медицинских изделий «Имплантатов углеродных наноструктурных». СПб; 2014) установлено, что УНИ нетоксичны, не оказывают раздражающее, сенсибилизирующее действие, не вызывают реакции отторжения, т. е. характеризуются высокой биологической совместимостью. Совместно на базах двух крупнейших научно-исследовательских институтов, а также вивария ветеринарной клиники Государственного аграрного университета Северного Зауралья был проведен ряд экспериментальных исследований, цель которых - изучить общую реакцию организма на УНИ, их остеокондуктивные свойства, возможности замещения ими костных пострезекционных дефектов. В эксперименте были задействованы 69 животных (кролики породы шиншилла и взрослые беспородные собаки). На основании морфологических данных лабораторных и рентгенологических исследований были сделаны выводы об отсутствии токсичности имплантатов, также было отмечено, что имплантаты не вызывали реакций отторжения и изменения общего состояния организма. Кроме того, результаты электронно-микроскопических исследований показали, что структурная организация углеродного материала служит матриксом для прорастания микрососудов и адгезии остеогенных клеток на его поверхности, демонстрируя остеокондуктивные свойства углеродного материала. Эти данные послужили основанием для использования УНИ в клинической практике [11]. В настоящее время композиционные изделия из углерода, пока в ограниченном количестве, используются при реконструктивно-восстановительных операциях в челюстно-лицевой хирургии, при оперативном лечении дегенеративно-дистрофических поражений позвоночника и замещении костных дефектов при травмах позвоночника и длинных костей, и лишь в единичных случаях УНИ применяли при замещении пострезекционных дефектов костей у детей с опухолями и опухолеподобными заболеваниями скелета [12-14]. Цель исследования: оценка результатов применения УНИ при опухолевых и опухолеподобных и воспалительных заболеваниях скелета в практике отделения детской костной патологии. Пациенты и методы В отделении детской костной патологии и подростковой ортопедии с применением УНИ прооперированы 52 пациента в возрасте от 11 до 18 лет со следующими диагнозами: внутрикостный хондроматоз (n=6), солитарная киста (n=14), неоссифицирующая фиброма (n=7), незрелость или несостоятельность регенерата после удлинения костей нижних конечностей (n=3), аневризмальная киста (n=7), хондрома (n=9), деформации нижних конечностей вследствие перенесенного гематогенного остеомиелита (n=3), остеофиброзная дисплазия (n=2), злокачественная опухоль бедренной кости, состояние после комбинированного лечения, нагноение (n=1). Применяли УНИ различной формы и вида в зависимости от геометрии пострезекционного дефекта: цилиндрические, полуцилиндрические, цилиндрические с осевыми вставками, полые полуцилиндрические, клиновидные, индивидуальный цилиндрический имплантат аналог 2-го типа (рис. 2). Рис. 2. Разновидности УНИ. а - цилиндрические с осевыми вставками; б - цилиндрические; в - индивидуальные клиновидные; г - полые полуцилиндрические; д - индивидуальные цилиндрические. Показаниями к использованию УНИ служили 1) замещение небольших пострезекционных дефектов костей после оперативного лечения доброкачественных опухолей и опухолеподобных заболеваний скелета; 2) слабость регенерата после удлинения костей конечностей; 3) заполнение дефектов костей после корригирующих остеотомий длинных костей; 4) замещение дефектов костей после удаления металлоконструкций и секвестрнекрэктомий при остеомиелитическом поражении. УНИ использовали в изолированном виде (в 18 случаях) и в сочетании с другими имплантатами: аутотрансплантат (у 2 пациентов), кортикоспонгиозные чипсы (у 13), замороженные кортикальные имплантаты (у 3), спонгиозные блоки (у 7), с металлоконструкциями - аппараты внеочагового остеосинтеза (у 6), накостная пластина (у 2), штифт (у 1). В изолированном виде УНИ использовали при небольших ограниченных дефектах, если пострезекционный дефект не превышал 1/3 диаметра кости и по длине был не более 4 см (рис. 3). Рис. 3. Изолированное применение УНИ. Пациент С., 12 лет, диагноз: киста нижней трети бедренной кости. а - данные КТ до операции; б - операция: краевая резекция нижней трети бедренной кости, замещение дефекта УНИ; в - данные КТ после операции. В остальных наблюдениях УНИ сочетали с другими видами костной пластики и металлоостеосинтезом (рис. 4). Рис. 4. Комбинированное использование УНИ. Пациентка Ц., 11 лет, диагноз: киста проксимального отдела бедренной кости. а - рентгенограмма до операции; б - операция: краевая резекция проксимального отдела бедренной кости; пластика костного дефекта УНИ в сочетании со свежезамороженными трансплантатами; в - рентгенограмма после операции. Так как, по данным производителя, УНИ является рентгенонеконтрастным имплантатом, нами предложено два метода его контрастирования посредством замачивания и вакуумирования в рентгеноконтрастном растворе Визипак. Предварительно был проведен анализ результатов контрастирования УНИ различными способами в эксперименте. При контрастировании путем замачивания отмечено, что имплантат остается четко рентгеноконтрастным в течение 24 ч, а при вакуумировании - в течение 72 ч. В последующем имплантат с каждым днем последовательно теряет свои рентгеноконтрастные свойства. Предоперационное контрастирование УНИ посредством замачивания имплантата в рентгеноконтрастном растворе. Перед началом операции предполагаемый для замещения костного дефекта имплантат (УНИ) замачивают в рентгеноконтрастном растворе (Визипак) таким образом, чтобы имплантат полностью погружался в заранее подготовленную стерильную емкость с раствором на 30 мин. Непосредственно перед имплантацией УНИ в пострезекционный дефект имплантат извлекают из рентгеноконтрастного раствора мягким зажимом и промакивают стерильной салфеткой с целью удаления избыточного контраста с его поверхности. После этого УНИ помещают непосредственно в пострезекционный дефект кости. Обработка по данной методике позволяет проконтролировать расположение имплантата в пострезекционном дефекте кости сразу после завершения операции с помощью стандартной рентгенографии или под электронно-оптическим преобразователем. Интраоперационное контрастирование УНИ посредством вакуумирования. Перед непосредственной имплантацией УНИ в пострезекционный дефект имплантат извлекают из стерильной упаковки и помещают в цилиндр шприца Жане емкостью 150 мл. Затем цилиндр шприца заполняют Визипаком таким образом, чтобы имплантат полностью погружался в рентгеноконтрастный раствор. После этого отверстие наконечника шприца герметизируют и с помощью тяги поршня создают вакуум в полости цилиндра шприца. Данная манипуляция дает возможность заполнить все имеющиеся в УНИ поры рентгеноконтрастным раствором. Затем имплантат мягким зажимом извлекают из цилиндра шприца, промакивают стерильной салфеткой для удаления избыточного контраста с его поверхности. После этого УНИ помещают непосредственно в пострезекционный дефект кости (рис. 5). Рис. 5. Пациент Г., 18 лет, с укорочением нижней конечности на фоне перенесенного гематогенного остеомиелита. а - рентгенограммы до операции: состояние после удлинения конечности в аппарате внешней фиксации, несостоятельность регенерата; б - интраоперационное контрастирование УНИ посредством вакуумирования; в - рентгенограммы после операции: сегментарная резекция регенерата, замещение дефекта УНИ с осевыми вставками, фиксация в аппарате внешней фиксации. Наряду с возможностью рентгенологического контроля расположения имплантата этот метод позволяет сократить время с момента извлечения УНИ из стерильной упаковки до непосредственной имплантации в костный дефект. Предоперационная подготовка заключалась в стандартном клинико-рентгенологическом и лабораторном обследовании пациента. Обязательно выполняли компьютерную томографию (КТ), по результатам которой определяли истинный размер и объем патологического очага. При необходимости оценивали величину и уровень осевой деформации, укорочение сегмента. Кроме того, определяли размеры и форму планируемого к использованию УНИ и необходимость в использовании дополнительных пластических материалов и металлоконструкций. Подготовка УНИ к применению. Непосредственно до начала пластики пострезекционного дефекта осуществляли смену хирургических перчаток. УНИ извлекали из двойной стерильной упаковки и в зависимости от выбранного метода контрастирования осуществляли вакуумирование или замачивание имплантата в рентгеноконтрастном растворе. После указанных манипуляций имплантат был готов к применению. Подготовка имплантатов по данной методике была использована нами в 10 наблюдениях. Техника операции. В зависимости от патологического процесса выполняли соответствующую по объему краевую резекцию кости с удалением очага поражения. Полость промывали раствором антисептиков, обрабатывали цилиндрической фрезой, что позволяло тщательно удалить патологический очаг и убрать неровности стенок образовавшегося дефекта. После завершения подготовки костной полости с помощью специально разработанного инструментария УНИ имплантировали в пострезекционный дефект. Набор инструментов включал 6 типоразмеров импакторов, молоток, гибкое сверло, реклинатор, измеритель пострезекционного дефекта, дисковую насадку с алмазным напылением для обработки имплантата. Инструментарий создан совместно с фирмой OSTITAN. В ряде случаев при недостаточно плотном контакте имплантата с материнской костью имеющиеся полости заполняли кортикоспонгиозными «чипсами». При обширных дефектах наряду с УНИ использовали замороженные кортикальные трансплантаты или аутотрасплантаты. При необходимости осуществляли металлоостеосинтез пораженного сегмента. В раннем послеоперационном периоде всем пациентам проводили курс антибактериальной терапии - цефалоспарины (проксим) 0,75 г 2 раза в день в течение 5 сут. В 34 наблюдениях субфебрильная температура сохранялась в течение 2-3 сут с последующей ее нормализацией. В раннем послеоперационном периоде в клиническом анализе крови отмечали повышение СОЭ, которое в 35 наблюдениях не превышало 35 мм/ч. Все остальные показатели клинического анализа крови были в пределах нормы. Пациентам разрешали принимать вертикальное положение на 2-е сутки после операции. Пациентам с аппаратами внеочагового остеосинтеза и накостными пластинами нагрузку на оперированную конечность разрешали на 7-е сутки, в остальных случаях - через 3 мес с момента операции. Внешняя фиксация оперируемой конечности (гипсовыми лонгетами и ортезами) продолжалась в течение 1 мес, в дальнейшем рекомендовали разработку движений в суставах и ходьбу на костылях без нагрузки на оперируемую конечность. Результаты Результаты имплантации оценивали, прежде всего, лучевыми методами исследования. Рентгенографию проводили сразу после оперативного вмешательства, а КТ - на 3-и сутки (для контроля корректности положения имплантата) и через 3, 9 и 12 мес после операции. По прошествии 3 мес согласно данным КТ во всех случаях имплантаты компактно прилежали к контуру дефекта материнской кости, пострезекционный дефект был интимно заполнен имплантатом. Однако ни в одном наблюдении свежих периостальных наслоений в зоне имплантат-материнская кость выявлено не было, что свидетельствует об отсутствии периостальной регенерации в зоне УНИ. На сроке наблюдения 9 мес при комбинированном использовании УНИ во всех случаях, но с различной степенью выраженности, констатировали наличие свежей периостальной реакции на границе материнской кости с ауто- или аллотрансплантатами, что способствовало улучшению биологической фиксации УНИ. При изолированном применении УНИ контур пострезекционного дефекта прослеживался нечетко за счет перестройки костной ткани, однако свежих периостальных наслоений в зоне имплантата не выявлено. В одном наблюдении при проведении радиоизотопного исследования у пациентки с изолированным использованием УНИ отмечено повышенное накопление радиофармпрепарата по периферии имплантата и отсутствие его в центральной зоне УНИ, что не исключало наличие периостальной реакции материнской кости по поверхности имплантата, т. е. прорастание кости по периферии (рис. 6). Рис. 6. Пациентка К. 18 лет. Диагноз: хондрома дистального отдела бедренной кости. Операция: краевая резекция дистального отдела бедренной кости, изолированное замещение дефекта УНИ. Радиоизотопное исследование через 9 мес после операции. Спустя 12 мес наблюдения в случаях комбинированного использования УНИ по данным КТ материнская кость вместе с аллотрансплантатами образовывали единый конгломерат вокруг УНИ, что обеспечивало биологическую фиксацию УНИ в материнской кости. При изолированном использовании УНИ свежих периостальных наслоений в зоне имплантат-кость, как и признаков остеосклероза вокруг УНИ, выявлено не было (рис. 7, 8). Рис. 8. Пациентка С., 18 лет. Диагноз: хондрома проксимального отдела бедренной кости. Операция: краевая резекция проксимального отдела бедренной кости, комбинированное замещение дефекта УНИ в сочетании с аллотрансплантатами, металлоостеосинтез. Данные КТ (а-г) и рентгенограммы (д-з) сразу после (а, д), через 3 мес (б, е), 6 мес (в, ж), 12 мес (г, з) после операции.Рис. 7. Пациентка К., 18 лет. Диагноз: хондрома дистального отдела бедренной кости. Операция: краевая резекция дистального отдела бедренной кости, изолированное замещение дефекта УНИ. Данные КТ (а-г) и рентгенограммы (д-з) сразу после (а, д), через 3 мес (б, е), 6 мес (в, ж), 12 мес (г, з) после операции. В целом к окончанию периода наблюдения (12 мес) в 50 случаях констатировали отсутствие отторжения имплантата и местных воспалительных реакций. В 2 случаях имплантаты (длиной более 4 см) пришлось удалить из-за нестабильности и последовавшим за этим воспалением в области операционного вмешательства. Коротко остановимся на применении УНИ при злокачественной опухоли бедренной кости. Пациенту Т., 16 лет, с саркомой Юинга левой бедренной кости после химиотерапии и лучевой терапии была проведена операция: сегментарная резекция бедренной кости с удалением опухоли, одномоментной аутопластикой и фиксацией накостной пластиной. Однако из-за миграции пластины произошло повреждение кожного покрова, сопровождавшееся скудным серозно-гнойным отделяемым. Потребовалась установка цементного спейсера с системой приточно-отточного дренирования. В посеве был обнаружен Staphylococcus aureus. После купирования воспалительного процесса выполнена замена спейсера на индивидуальный цилиндрический УНИ. В течение 1 года пациент находился под динамическим наблюдением: рецидива основного заболевания и метастазирования не было. Затем связь с пациентом была потеряна. Известно, что в одной из клиник Германии пациенту выполнено эндопротезирование тазобедренного сустава. Отдаленный результат проследить не удалось, о дальнейшем состоянии пациента неизвестно. Обсуждение Результаты применения УНИ при замещении пострезекционных дефектов кости в раннем и позднем послеоперационных периодах показали, что данные имплантаты не вызывают токсической реакции, что не противоречит результатам ранее проведенных исследований на токсичность при имплантации УНИ, проведенных сертификационным исследовательским центром Санкт-Петербурга. Несмотря на то что для УНИ ранее были получены показатели ряда физико-химических характеристик [10], нами было принято решение на базе испытательной лаборатории медицинских изделий и материалов провести сравнительную оценку пределов прочности и модулей упругости нативной кортикальной кости и наноструктурных имплантатов, изготовленных из углеродного композита. По нашему мнению, именно эти показатели являются определяющими в физико-механической связи УНИ-кость. Согласно данным [10], предел прочности УНИ при сжатии составляет не менее 30 МПа, модуль упругости при сжатии - не менее 1,5 ГПа. В нашем эксперименте предел прочности УНИ при сжатии составил не менее 60 МПа, модуль упругости при сжатии - не более 1 ГПа. Показатели нативной кортикальной бедренной кости составили не менее 120 и 2,5 ГПа соответственно (рис. 9). Рис. 9. Показатели предела прочности при сжатии для кортикальной бедренной кости (а) и УНИ (б). Имплантаты из наноструктурного углеродного композиционного материала выдерживают меньшую нагрузку на сжатие, чем трансплантаты из нативной (бедренной) кости. Показатели модуля упругости нативной кости также превышают таковые УНИ. Последний показатель указывает на возможность УНИ адаптироваться в дефекте кости как в более упругой среде, при этом не вызывая грубой деформации кости при физических нагрузках. Данный факт снижает вероятность ранней резорбции кости. При этом различие прочности УНИ и нативной кости не слишком велико в отличие от такового для высокопрочных керамических и титановых имплантатов. Это служит одним их важных критериев подбора материала для имплантации, который обеспечивает оптимальное перераспределение нагрузок в системе кость-имплантат и предотвращает резорбцию костной ткани. Полученные экспериментальным путем данные не дают повода усомниться в положительных взаимоотношениях УНИ и костной ткани и не противоречат выводам других авторов о целесообразности его использования. Результаты электронно-микроскопических исследований, проведенных на животных, показали, что имплантат играет роль механической опоры и пористого костяка для врастания кровяных сосудов и проникновения костных клеток. Ряд авторов также описывают контакт углеродных композитов с костной тканью, при котором образуется тонкая слабоабсорбируемая белковая прослойка на поверхности контактного участка соединительной и костной тканей [11]. В результате наших исследований (по данным КТ) не получено убедительных данных о полноценной остеоинтеграции материнской кости в УНИ. Для окончательных выводов, возможно, необходимо более длительное наблюдение. Заключение. Результаты применения УНИ как в изолированном виде, так и в сочетании с ауто- или аллотрансплантатами при замещении пострезекционных дефектов костей свидетельствуют о возможности использования данного имплантата в практике детской костной патологии. В течение всего периода наблюдения (12 мес) не выявлено участков резорбции кости, что можно объяснить схожими физическими свойствами УНИ и кости. При этом углеродный имплантат не терял в механической прочности, обеспечивая условия для ранней осевой нагрузки на конечность. Однако следует иметь в виду, что при изолированном применении УНИ процесс остеоинтеграции в данный имплантат будет протекать медленнее. В связи с этим изолированное использование УНИ, по нашему мнению, обосновано при небольших ограниченных дефектах, когда величина пострезекционного дефекта не превышает 1/3 диаметра кости и по длине составляет не более 4 см. В этом случае слабая остеоинтеграция, скорее всего, не повлияет на процесс реабилитации в условиях ранних осевых нагрузок. При пострезекционных дефектах более 4 см целесообразно устанавливать УНИ в сочетании с ауто- или аллотрансплантатами, так как есть основания надеяться на остеоинтеграцию на границе не только материнская кость-ауто-/аллотрансплантат, но и УНИ-материнская кость.

About the authors

S. G Balametov

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Priorova str., 10, Moscow, 127299, Russia

S. Yu Batrakov

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Priorova str., 10, Moscow, 127299, Russia

N. S Gavryushenko

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Priorova str., 10, Moscow, 127299, Russia

References

Supplementary files