Comparative characteristics of osseointegration processes of the calcium phosphate coating implants and implants with germanium enriched calcium phosphate coatings

Full Text

Введение. К настоящему времени широкое распространение в России и за рубежом полу- чили операции замены больных суставов искус- ственными, в том числе при лечении пациентов с дегенеративно-дистрофическими заболевания- ми суставов [1, 2]. Известно, что средний срок службы эндопроте- зов тазобедренного сустава не превышает 11 лет, после чего возникает необходимость в замене эн- допротеза. Ограниченный срок службы объясня- ется асептической нестабильностью имплантата, возникающей и развивающейся из-за отсутству- ющей либо недостаточной остеоинтеграции этого имплантата [3-5]. Для выявления оптимальных показателей остео- интеграции имплантатов был проведен ряд экспе- риментальных работ по исследованию материалов с нанесенными на них покрытиями различного со- става. Результатом этих исследований явились обнадеживающие показатели остеоинтеграции для цитирования: Зеличенко Е.А., Гузеев В.В., Ковальская Я.Б., Гурова О.А., Гузеева Т.И. Сравнительная характеристика процессов остеоинтеграции имплантатов с кальцийфосфатным покрытием и имплантатов с кальцийфосфатными покры- тиями, обогащенными германием. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2017; 4: 38-42. Cite as: Zelichenko E.A., Guzeev V.V., Koval’skaya Ya.B., Gurova O.A., Guzeeva T.I. Comparative characteristics of osseointe- gration processes of the calcium phosphate coating implants and implants with germanium enriched calcium phosphate coat- ings. Vestnik travmatologii i ortopedii im. N.N. Priorova. 2017; 4: 38-42. имплантатов с покрытиями определенного соста- ва и рекомендации к дальнейшему их изучению и применению, однако внедрение имплантатов тако- го вида в практическое здравоохранение до сих пор не является завершенным, а покрытия, имеющие идеальные свойства, все еще не разработаны [6-8]. В этих работах установлено, что кальцийфосфат- ные соединения обладают наибольшим сродством к костной ткани, а исследования, направленные на улучшение их связи с костью реципиента, продол- жаются до сих пор. В работе [9] отмечено заметное улучшение характеристик кальцийфосфатных со- единений при введении в их состав органических и неорганических модифицирующих компонентов, например, хитозана или кремния. Введение германия в состав кальцийфосфат- ных покрытий имплантатов представляет инте- рес с точки зрения влияния такой модифициру- ющей добавки на результаты остеоинтеграции имплантатов и процессы остеогенеза в организме реципиента [10, 11]. Установлено, что германий в качестве микроэлемента принимает участие в метаболических процессах и оказывает анти- гипоксическое, антиоксидантное и обезболиваю- щее действие. В работах [12, 13] было показано, что недостаток германия негативно влияет на функционирование желудочно-кишечного трак- та, иммунной системы организма и на липид- ный обмен. Существуют сведения о том, что этот микроэлемент способствует лечению артрита, остеопороза, кандидоза и многих вирусных ин- фекций, активируя Т-лимфоциты и выработку γ интерферонов [14]. Германий обнаружен почти во всех видах пищи растительного и животного происхождения, достигая максимального содер- жания не менее 3 мкг/г в некоторых целебных растениях (женьшень, алоэ, чеснок), томатном соке, бобах и рыбе. Таким образом, совокупность химических и биологических свойств германия обусловливает перспективность применения это- го микроэлемента в качестве добавки в составе кальцийфосфатных покрытий имплантатов. Цель исследования: провести сравнительный анализ остеоинтеграции имплантатов из титаново- го сплава с различными покрытиями для определе- ния оптимального состава покрытий с точки зрения остеогенеза. МаТериаЛЫ и МеТодЫ Для экспериментов были использованы имплан- таты, изготовленные из титанового сплава ВТ6, представляющие собой штифты круглого сечения длиной 20 мм и диаметром 4 мм. Поверхность штифтов первой эксперименталь- ной группы была подвергнута химико-термической обработке с образованием наноструктурного по- верхностного слоя, состоявшего преимущественно из карбоксинитрида титана [8, 15]. Поверхность штифтов второй, третьей и чет- вертой экспериментальных групп была обрабо- тана с помощью микродугового метода [15, 16]. Сущность метода заключается в пропускании тока высокой плотности через границу раздела фаз металл-раствор электролита, что приводит к возникновению на поверхности металлических имплантатов микроплазменных разрядов с высо- кими локальными температурами и давлениями. Результатом действия этих разрядов является формирование пористых наноструктурных по- крытий, обладающих высокой износостойкостью и улучшенными физико-механическими характе- ристиками. Раствор электролита для микродугового нанесения покрытия включал в себя: кислоту орто- фосфорную, ГОСТ 10678-76 квалификации «х.ч.» концентрацией 15%; гидроксиапатит, порошок полидисперсный с размером частиц от 20 нм до 400 мкм; германий, порошок квалификации «ос.ч.» дополнительно окисленный с размером частиц 20-100 нм. Раствор электролита представлял собой суспен- зию порошков гидроксиапатита и германия с со- держанием германия 3% и 5%. Для формирования качественных покрытий раствор перемешивали барботированием инертным газом. Поверхностный слой обработанных штифтов второй группы представлял собой кальцийфос- фатное покрытие, сформированное в электро- лите, содержавшем соли кальция и фосфора. Поверхностный слой обработанных штифтов тре- тьей и четвертой групп представлял собой анало- гичное кальцийфосфатное покрытие, полученное из электролита, содержащего 3% и 5% германия соответственно. Ограничение содержания гер- мания в электролите связано с тем, что герма- ний является микроэлементом и повышение его концентрации в электролите и, соответственно, в покрытии может привести к негативным послед- ствиям для организма. Исследования структуры поверхности получен- ных покрытий проводили методом растровой элек- тронной микроскопии с помощью цифрового микро- скопа Levenhuk D870T (ОАО «Левенгук», Россия) и лабораторного оптического микроскопа Stemi 2000-C («Carl Zeiss AG», Германия). Обработку полученных микрофотографий осуществляли с помощью про- граммного обеспечения Levenhuk Lite. Реципиентами для вживляемых имплантатов являлись 29 беспородных кошек мужского пола в возрасте от 1,5 до 4 лет массой от 2500 до 3400 г. Выбор был обусловлен достаточными размерами костей, схожей с человеческой формой бедренной кости, характером движения их в пространстве и выживаемостью этих животных при одновре- менном хирургическом вмешательстве на двух задних конечностях. Содержание животных и уход за ними осуществляли согласно требовани- ям «Европейской Конвенции о защите позвоноч- ных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях» (Страсбург, 18 марта 1986 г.), методическим рекомендациям по содер- жанию лабораторных животных в вивариях научно-исследовательских институтов и учебных за- ведений, приказу Минздрава СССР от 12.08.1977 г №755 и «Всемирной декларации прав животных» от 23.09.1977 г. Операции проводили под внутримышечным нар- козом золетилом в дозировке 15 мг/кг с предвари- тельной медикаментозной подготовкой атропина сульфатом в дозировке 0,04 мг/кг подкожно и 0,2% раствором рометара в дозировке 0,1 мл на 100 г мас- сы тела. В верхней трети тазовой конечности выпол- няли разрез кожи и подлежащих тканей с откры- тием межвертельной ямки, где сверлом диаметром 4 мм высверливали канал длиной 20 мм в дистальном направлении бедренной кости. С помощью специ- ального импактора в канале устанавливали штифт. Аналогичное хирургическое вмешательство осу- ществляли на противоположной задней конечности, после чего раны послойно ушивали. Через 90 дней животных выводили из опыта с соблюдением правил и рекомендаций ветеринар- ной и биомедицинской этики. Под внутримышеч- ным наркозом золетилом в дозировке 15 мг/кг в нижнюю полую вену реципиентов вводили 20 мл 10% раствора магнезии; после остановки дыхатель- ной и сердечной деятельности проводили изъятие кости и готовили макропрепараты, которые затем помещали в 10% раствор формалина. Для исследо- вания морфологии зоны имплантации штифтов на основе проксимальных отделов бедренных костей были приготовлены поперечные пластины толщи- ной 5 мм. Декальцинацию осуществляли в течение 21 сут в 4% растворе азотной кислоты при темпера- туре 18-22°С, затем фрагменты кости извлекали из раствора кислоты, обезвоживали последовательно в 60, 80 и 96% растворах этанола в течение 24 ч в каждом спирте и просветляли в ксилоле. Материал заливали пластифицированным парафином и нарезали микротомом. Гистологические срезы мате- риала толщиной 7-10 мкм окрашивали гематокси- лином и эозином. Исследования гистологических срезов прово- дились методом световой микроскопии на микро- скопах Сarl Zeiss («Carl Zeiss AG», Германия) и БИОЛАМ (ОАО «ЛОМО», Россия). реЗУЛЬТаТЫ и оБСУждение Поверхность штифтов первой группы, подвер- гнутая химико-термической обработке, имела на- ноструктурный поверхностный слой, состоящий преимущественно из карбоксинитрида титана, об- ладающего в сравнении с необработанной поверх- ностью имплантатов улучшенными механически- ми характеристиками, в том числе повышенной твердостью (рис. 1, а) [8]. Поверхностный слой об- работанных штифтов второй группы представлял собой кальцийфосфатное покрытие, которое было сформировано сферолитоподобными кристаллами, при этом изолированные поры локализовались в сферолитах, а сквозные поры - на границах сфе- ролитов (рис. 1, б). Покрытие, полученное из элек- тролита с концентрацией германия 5%, имело более сглаженный рельеф по сравнению с таковым при концентрации германия 3% (рис. 1, в, г). Исследования гистологических срезов показа- ли, что в зоне введения первой группы штифтов внутренняя поверхность трубчатой кости содер- жала небольшое количество разрушенных балок. Гаверсовы каналы на внутренней трети кости не обнаружены, однако в наружном отделе кости они присутствовали. На гибель отдельных клеток ука- зывает некроз некоторых гаверсовых каналов и за- пустение части костных лакун. Остеоциты внутрен- ней части костной трубки местами располагались хаотично, местами - упорядочено. Выявленные изменения, очевидно, были проявлением структурной перестройки костной тка- ни, что подтверждается также слоистой структурой внутренней поверхности кости в нескольких местах из-за напла- стования молодой активно формирую- щейся костной ткани (рис. 2). Во второй группе гистологический материал представлял собой фрагмен- ты трубчатой кости с явными морфоло- гическими изменениями. На внутрен- ней поверхности кости обнаруживались скопления молодых костных балок с бес- порядочно расположенными остеоцита- ми. Гаверсовы каналы, сформированные упомянутыми балками, содержали на внутренней поверхности прерывистый неравномерный слой мелкозернистого базофильного вещества, что, вероятно, является признаком зачаточного включе- ния материала в регенерирующую кост- ную ткань. Об образовании, перестройке и биорезорбции костной ткани также сви- детельствовали скопления остеобластов и остеокластов (рис. 3). Образцы третьей группы исследуемых материалов характеризовались более яв- ными изменениями, сопутствующими перестройке и биологической резорбции молодой костной ткани. Слой мелкозер- нистого базофильного вещества обнару- живался на всей внутренней поверхности трубчатой кости и был включен во внутреннюю поверхность гаверсовых каналов (рис. 4). Он был равномерно распределен по поверхности и имел большую толщину. Наружная часть труб- чатой кости с концентрически ориентированными системами остеоцитов и костных пластин представ- ляла собой зрелую костную ткань. Прогрессивный рост остеоцитов и остеобластов в слое базофильно- го вещества свидетельствует о том, что германий с высокой долей вероятности активизировал про- цесс регенерации костной ткани. Морфологическая картина образцов четвертой группы характеризовалась наиболее выраженны- ми процессами регенерации костной ткани: на вну- тренней поверхности трубчатой кости обнаружены объемные скопления крупнозернистого базофиль- ного вещества. Врастание остеобластов в это веще- ство свидетельствует о начале процесса формиро- вания новых костных балок. Прочное соединение новообразовавшихся костных балок с покрытием штифта приводило к их разрушению при извле- чении имплантата, подтверждением чему служи- ли фрагменты разрушенных костных балок на внутренней поверхности трубчатой кости (рис. 5). При этом клетки костного мозга, находившиеся в непосредственном контакте с германийсодержа- щим покрытием, не имели признаков разрушения. Результаты проведенных исследований согла- суются с ранее заявленными предположениями о целесообразности применения германия для сти- муляции пролиферации фибробластов [17]. Кроме того, можно предположить, что покрытие, содер- жащее германий, обладает более высокой поверх- ностной энергией, что коррелирует с данными дру- гих авторов [18]. Заключение. Наименее активную остеоинтегра- цию демонстрируют имплантаты, подвергнутые химико-термической обработке. Введение в состав покрытия имплантатов гидроксиапатита активизи- рует процесс остеоинтеграции. В результате про- веденных исследований установлено, что наиболее интенсивно процесс остеоинтеграции в организме реципиента протекает при введении имплантатов с покрытиями, полученными из электролита, содер- жащего гидроксиапатит и германий (5%). В целом кальцийфосфатные покрытия, в том числе обога- щенные германием, обеспечивают лучшую остео- интеграцию, чем образцы, подвергнутые химико- термической обработке.

About the authors

Elena A. Zelichenko

National Research Nuclear university MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Email: zelichenko65@mail.ru
cand. med. sci., ass. professor, chair of chemistry and material technology of modern energetics Moscow, Russia

V. V Guzeev

National Research Nuclear university MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Moscow, Russia

Ya. B Koval’skaya

National Research Nuclear university MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Moscow, Russia

O. A Gurova

National Research Nuclear university MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Moscow, Russia

T. I Guzeeva

National Research Nuclear university MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Moscow, Russia

References

Supplementary files