Carbonic Nano-Structural Grafts - Innovation Product for Traumatology and Orthopaedics.Part 1: Experimental Study Results

Full Text

Введение. В настоящее время в травматологии и ортопедии для производства различных имплантатов широко используются нержавеющие стали, кобальтхромовые сплавы, титан и титановые сплавы [1, 2] и другие искусственные материалы. Основными требованиями, предъявляемыми к материалам, используемым для имплантации, являются их безопасность и надежность. Они должны быть инертны по отношению к окружающим тканям, не канцерогенны, иметь достаточный запас механической прочности, быть стойкими к воздействию факторов внутренней среды организма [3-5]. Таким требованиям отвечают изделия из медицинского углерода, производство которых начато в последнее время. Следует отметить, что углерод в медицинской практике начали использовать примерно 80 лет назад. Тридцать-сорок лет назад углеродные имплантаты пережили своеобразный бум [6, 7], но постепенно интерес к ним пропал. Связано это, видимо, с тем, что имплантаты производили из промышленного углерода, который характеризуется повышенной прочностью и отсутствием пор, необходимых для прорастания в них костной ткани [8]. В компания «НаноТехМедПлюс» разработана технология производства углеродного наноструктурного материала, адаптированного под медицинские цели [9]. Для более глубокого изучения процессов, происходящих в организме в ответ на имплантацию углеродных наноструктурных имплантатов (УНИ), нами были проведены серии экспериментальных исследований на разных животных, целью которых было изучить общую реакцию организма, остеокондуктивные свойства УНИ, возможности замещения костных дефектов и ускорения формирования дистракционного регенерата, морфологические изменения, сопровождающие введение данных имплантатов. В настоящем сообщении будут представлены результаты клинических и рентгенологических исследований. Развернутые данные клинико-лабораторных и морфологических исследований - тема следующего сообщения. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Прообразом для создания углеродного композиционного материала явилась кость человека, представляющая собой материал, армирующей основой которого является оссеин, а связующей матрицей - соли кальция. Была разработана инновационная технология получения прочного пористого углеродного композитного материала, структурно состоящего из армирующей основы - углеродных волокон и связующей их углеродной наноструктурной матрицы. В матрице имеются поры, размер которых составляет 400-600 мкм. Такая структура композиционного материала максимально приближает его по основным биологическим и биомеханическим характеристикам к кости человека. Свойства УНИ изучали в период с июня 2014 г. по июнь 2015 г. На разных этапах выполняли клинические, рентгенологические, гематологические, биохимические исследования. Все эксперименты выполнены в соответствии с требованиями «Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей». На базе вивария ветеринарной клиники Государственного аграрного университета северного Зауралья на 15 лабораторных кроликах породы «Советская Шиншилла» изучали общую реакцию организма на введение УНИ. Во всех случаях в крыльях подвздошных костей (с обеих сторон) сверлом моделировали цилиндрические дефекты диаметром 0,4 см. После этого в полости дефектов помещали УНИ соответствующего диаметра, что обеспечивало плотный контакт имплантата с костью. Животных выводили из эксперимента через 14, 30 и 60 сут после имплантации и выполнения рентгенографического исследования с использованием дентального рентгенологического аппарата X Genus DC («DeGotzen»). Оценивали картину области имплантации УНИ, иссекали костно-углеродный блок для морфологических исследований. На базе РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» проведена серия экспериментов на 54 взрослых беспородных собаках обоего пола (по 9 животных в каждой группе). В 1-3-й группах выполняли замещение острых циркулярных дефектов диафиза большеберцовой кости с использованием УНИ. В 1-й группе величина дефекта составила 10 мм - 9% от исходной длины сегмента (адекватно 2 см у человека); во 2-й - 16-19 мм - 13% от исходной длины сегмента (адекватно 4 см у человека); в 3-й - 20-25 мм - 16% от исходной длины сегмента (адекватно 6 см у человека). В условиях операционной на правую голень животного накладывали аппарат Илизарова. Через продольный разрез мягких тканей с медиальной поверхности голени моделировали циркулярный дефект диафиза большеберцовой кости. В сформированный диастаз помещали УНИ, соответствующий по размерам образованному дефекту кости. Имеющиеся на концах имплантата выступы вводили в костномозговые каналы отломков и осуществляли первичную компрессию путем сближения опор аппарата до упора. Это обеспечивало прочную фиксацию имплантата в диастазе (рис. 1, а-в). Рану послойно ушивали. В 4-6-й группах проводили замещение дистракционного регенерата УНИ. Эти эксперименты выполнялись в два этапа. На первом этапе после наложения аппарата Илизарова иссекали соответствующий сегмент кости, после чего концы отломков сближали до плотного контакта (рис. 1, г), моделируя таким образом укорочение конечности. Затем осуществляли удлинение на необходимую величину. Величина укорочения (по аналогии с 1-3-й группами) составила 9, 13 и 16% в 4, 5 и 6-й группе соответственно. Преддистракционный период продолжался 7 сут. Удлинение выполняли в режиме 1 мм в сутки за 4 приема. По окончании периода дистракции (второй этап) в условиях операционной через продольный разрез мягких тканей в костном регенерате формировали продольно направленное ложе, в которое помещали имплантат. Рану ушивали. Животных выводили из эксперимента через 30 (1-я и 4-я группы), 60 (2-я и 5-я группы) и 180 (3-я и 6-я группы) дней. Спустя 30 сут после имплантации выполняли макроскопическое исследование тканей в области имплантации и производили забор материала для гистологических исследований. Оценивали общее состояние животных, регистрировали общую температуру тела, частоту сердечных сокращений, частоту дыхательных движений. Рентгенографию выполняли в двух стандартных проекциях (прямой и боковой) с использованием рентгеновского аппарата VEPX Technology Premium VET (Испания). В сыворотке крови оценивали динамику содержания общего белка, мочевины, аланинаминотрансферазы (АлАт), аспартатаминотрансферазы (АсАт). С помощью рентгеновского электронно-зондового микроанализатора INCA-200 изучали содержание и распределение остеотропных элементов (Са и Р). Контролем служила группа из 4 собак, у которых для замещения дефекта большеберцовой кости использовали имплантат на основе керамики. Высота дефекта составляла 10 мм, что соответствует 9% от исходной длины сегмента. РЕЗУЛЬТАТЫ При замещении цилиндрических дефектов подвздошных костей у кроликов во всех случаях на всех сроках констатировали стабильное положение имплантатов и отсутствие воспалительной реакции в периимплантационной зоне. Различия касались только выраженности остеоинтеграции. На 14-е сутки эксперимента со стороны имплантации УНИ отмечалась выраженная остеоинтеграция, образования в виде гиперплазии костной ткани отсутствовали. На 30-е сутки вокруг УНИ фиксировали новообразование костной ткани высотой до 1 мм. На 60-е сутки толщина новообразованной костной ткани на поверхности имплантата достигала 1,5 мм, что, по нашему мнению, иллюстрирует выраженные остеокондуктивные, а возможно, и остеоиндуктивные свойства УНИ (рис. 2). Рентгенологическая картина полностью подтверждала данные макроскопического исследования. При этом резорбции костной ткани зафиксировано не было, а плотность кости в периимплантационной зоне повышалась с увеличением срока наблюдения (рис. 3). У животных, которым выполняли замещение острого циркулярного дефекта костей голени УНИ и использовали его в условиях дистракционного остеосинтеза (1-6-я группа), патологических изменений со стороны основных систем организма выявлено не было. Ни одно животное не погибло. Отклонений в потреблении корма и воды не зафиксировано. Значимых изменений частоты дыхательных движений, частоты сердечных сокращений и общей температуры тела на разных этапах эксперимента по сравнению с дооперационными значениями не зарегистрировано. Механического повреждения и миграции имплантатов не отмечено. Заживление раневых поверхностей мягких тканей в области имплантации происходило первичным натяжением. В ранний послеоперационный период (через 3-7 сут) животные начинали частично нагружать оперированную конечность, а через 14 сут передвигались с полной нагрузкой на нее. Значимых отклонений изученных лабораторных показателей относительно дооперационных значений в динамике наблюдения выявлено не было (рис. 4). У всех животных 1-3-й групп на рентгенограммах прооперированной конечности, выполненных непосредственно после оперативного вмешательства, ось костей голени была правильная. Контуры концов отломков четкие, ровные. Длина сегмента соответствовала дооперационной. Интенсивность рентгеновской тени имплантата приближалась к таковой близлежащих мягких тканей (рис. 5, а). В 4-6-й группах было достигнуто укорочение костей оперированной голени на величину сформированного дефекта. В середине диафиза определялись линия остеотомии и плотный контакт проксимального и дистального отломков (рис. 5, б). При замещении циркулярного дефекта диафиза большеберцовой кости керамическим материалом на рентгенограммах, выполненных непосредственно после оперативного вмешательства, имплантат был представлен в виде тени высокой интенсивности с четкими и ровными контурами (рис. 5, в). Спустя 14 сут фиксации в 1-3-й группах на рентгенограммах ось костей голени была такой же, что и сразу после операции. Пространственное расположение имплантата не изменялось. Контуры концов отломков были ровные, нечеткие. В большинстве наблюдений на отломках вблизи линии опила была хорошо выражена периостальная реакция глыбчатой структуры толщиной до 3 мм. Тени периостальных наслоений заходили в полость дефекта (располагались на поверхности имплантата) со всех сторон на протяжении от 2 до 4 мм. Тени имплантата по интенсивности соответствовали теням близлежащих мягких тканей. В проекции костномозговых полостей отломков определялись тени эндостальной реакции. К 28-30 сут эксперимента (рис. 6, а) ось костей голени и пространственное расположение имплантата не изменялись. Периостальные наслоения на поверхности УНИ протяженностью до 7 мм хорошо визуализировались, их структура становилась гомогенной. При анатомическом послойном препарировании патологических изменений мягких тканей выявлено не было (рис. 7). Имплантат был покрыт тонким слоем ткани белого матового цвета. Пальпаторно определялась тугая патологическая подвижность в области контакта имплантата с костью. Через 60 сут (рис. 6, б) периостальные наслоения на поверхности отломков заметно компактизировались, отчетливо визуализировались и являлись продолжением костных отломков. В 1-й и 2-й группах периостальные напластования покрывали в среднем 2/3 длины имплантата, в 3-й группе их общая протяженность была меньше, чем в первых двух группах, на 2-3 мм. Тени имплантата становились интенсивнее. Спустя 90-120 сут (рис. 6, в) контуры концов отломков становились неровными, нечеткими. Периостальные структуры на поверхности имплантата в большинстве наблюдений объединялись между собой со всех сторон, в результате чего интенсивность теней тестируемого материала увеличивалась. Подобный эффект может быть связан с высокими остеокондуктивными свойствами углеродного наноструктурного материала. В ходе анатомического препарирования в области контакта имплантата с костью патологическая подвижность не определялась. По данным электронно-микроскопического исследования в 1-3-й группах через 30 сут в зоне контакта кости и имплантата имела место активная остеоинтеграция костного матрикса в структуры имплантированного материала со стороны как периоста, так и костного отломка. Наиболее активно процесс остеогенеза шел на периостальной поверхности. Это подтверждалось распределением остеотропных элементов на представленной карте рентгеновского электронно-зондового микроанализа в характеристическом излучении Са, Р и С (рис. 8, а). Синтезу костного матрикса (рис. 8, б) предшествовала адгезия остеогенных клеток на поверхности стержневых структур имплантационного материала в различных его слоях (рис. 8, в). По всей толще имплантата обнаруживались микрососуды разного калибра (рис. 8, г, д). В 4-6-й группах по окончании периода дистракции ось костей голени во всех случаях была правильная. Между проксимальным и дистальным отломком определялся диастаз, высота которого в каждом отдельном случае соответствовала высоте резецированного участка кости. В полости диастаза были видны тени дистракционного регенерата зонального строения гипо- или нормопластического типа. Хорошо визуализировались проксимальный и дистальный костные отделы регенерата, представленные тенями костных трабекул, а также срединная зона просветления. Периостальные компоненты регенерата не объединялись между собой (рис. 9, а). У животных с меньшей величиной удлинения (4-я группа) дистракция продолжалась 10-12 дней, в течение которых формируется органический матрикс регенерата. В связи с этим в 4-й группе контуры костных трабекул были размыты, а высота срединной зоны просветления рентгенологически была выше, чем в 5-й и 6-й группах, где период дистракции был продолжительнее, следовательно, регенерат по окончанию дистракции состоял из более зрелой ткани. У собак этих групп трабекулярные тени регенерата имели более четкие и плотные контуры в сравнении с животными 4-й группы. По окончании удлинения в условиях операционной выполняли частичное замещение дистракционного регенерата УНИ. После выполнения имплантации на контрольных рентгенограммах ось сегмента сохранялась. Контуры проксимального и дистального костных отделов регенерата незначительно изменялись как следствие механического воздействия на новообразованные костные структуры во время оперативного вмешательства. В проекции срединной части регенерата слабо визуализировались тени имплантируемого материала (рис. 9, б). У животных этих групп во всех случаях формирование опороспособного новообразованного участка кости происходило через 30-45 сут, в среднем к 37 суткам, фиксации. К этому сроку при удлинении на 9/13/16% от исходной длины сегмента объем новообразованной костной ткани в совокупности с наличием УНИ, обладающим высокими прочностными характеристиками, был достаточен для прекращения аппаратной фиксации. На рентгенограммах к этому сроку ось костей голени была правильная. Регенерат был нормо- или гиперпластического типа и определялся в виде высокорентгеноконтрастных теней гомогенной структуры. Зона роста регенерата либо не определялась, либо была представлена единичными участками просветления. Образовывалась непрерывная корковая пластинка, покрывающая весь регенерат. Подобная рентгенологическая картина свидетельствовала о формировании опорного участка кости и являлась критерием для прекращения аппаратной фиксации (рис. 9, в). При замещении циркулярного дефекта диафиза большеберцовой кости керамическим материалом на рентгенограммах через 30 сут эксперимента в трех наблюдениях констатировали изменение пространственного расположения имплантата. Из них в двух случаях имело место смещение имплантата относительно продольной оси сегмента, а в одном нарушилась его механическая целостность. Признаки остеогенеза либо были слабо выражены, либо не выявлялись. Периостальная реакция на отломках определялась в области опила, как правило, с медиальной поверхности. Ее протяженность не превышала 2 мм. На поверхности имплантата тени, характеризующие процессы костеобразования, отсутствовали. В проекции костномозговых полостей отломков визулизировались тени эндостального регенерата. У одного животного пространственное расположение имплантата не изменялось в сравнении с послеоперационной картиной. В этом случае на поверхности отломков были выражены нечеткие и неровные тени периостальной реакции. Периостальные тени располагались на поверхности имплантата у концов отломков с двух сторон. В проекции костномозговых полостей отломков была ярко выражена эндостальная реакция. Во всех наблюдениях в этот период определяли патологическую подвижность в области контакта имплантата с костью на проксимальном и дистальном уровне. Через 60 сут эксперимента у животных со смещением либо механическим повреждением керамического импланта в области его контакта с костными отломками наблюдали признаки остеокластической резорбции. На поверхности имплантата признаки костеобразования отсутствовали или были слабо выражены. Сохранялась патологическая подвижность (рис. 10, а, б). У собаки без смещения имплантата к этому сроку периостальные наслоения на отломках и поверхности самого импланта находились в стадии компактизации и частично редуцировались. Эндостальная реакция заметно затухала. Патологическая подвижность сохранялась (рис. 10, в). ОБСУЖДЕНИЕ Целью выполненных нами экспериментов было изучить общую реакцию организма на имплантацию углеродного материала, а также оценить возможности замещения цилиндрических, острых циркулярных дефектов костей и дистракционного регенерата УНИ. Показано, что введение данного имплантата не сопровождается развитием общей реакции организма животного и токсическим воздействием на окружающие ткани. Наши данные согласуются с результатами исследований на цитотоксичность при имплантации УНИ, проведенных сертификационным исследовательским центром г. Санкт-Петербурга [10]. При патологоанатомическом исследовании ни в одном случае не определялось токсического некроза тканей. Накопленный нами за время экспериментальных исследований опыт, а также данные ряда авторов свидетельствуют о том, что углеродные материалы отвечают требованиям, предъявляемым к имплантатам, таким как: высокая биосовместимость, устойчивость к воздействию биологической среды, отсутствие токсичности и канцерогенности, электропроводность, близкая к тканям организма, стойкость к усталостным изменениям, индифферентность продуктов износа, отсутствие коррозийных явлений. Технология производства углеродных имплантатов предусматривает возможность получения однородного материала с различными свойствами, обладающего упругостью, близкой к модулю упругости костной ткани, легкостью моделирования, невысокой себестоимостью [11]. В нашей работе внедренные в созданные дефекты костей углеродные имплантаты в сравнительно короткие сроки покрывались периостальными костными образованиями, формируя прочный костно-углеродный блок, обеспечивавший устранение патологической подвижности. Результаты электронно-микроскопических исследований убедительно показали, что структурная организация углеродного материала является матриксом для прорастания микрососудов и адгезии остеогенных клеток на его поверхности, демонстрируя выраженные остеокондуктивные свойства. Результаты проведенных ранее исследований по использованию современных композитов для устранения костных дефектов свидетельствуют о перспективности применения углеродсодержащих материалов в костно-пластической и реконструктивной хирургии [12-16]. В последние годы заметно повысился интерес к керамическим медицинским изделиям для внутреннего использования, но керамика отличаются повышенной хрупкостью и вызывают резорбцию кости при прямом контакте, что ограничивает сферу ее применения. В нашей серии экспериментов с применением керамических имплантатов из 4 животных у одного мы наблюдали нарушение целостности имплантата и у двух - его смещение из-за отсутствия остеоинтеграции на стыке кость имплантат. У всех животных керамический имплантат оставался интактным, костно-керамический блок не формировался и имплантат не покрывался костным футляром. Выводы 1. Углеродные наноструктурные имплантаты, получаемые по инновационной технологии, отвечают требованиям, предъявляемым к материалам, вводимым в организм. Они биосовместимы, не токсичны, не вызывают реакции отторжения и изменения общего состояния организма. 2. Внедрение УНИ в циркулярный дефект подвздошной кости кроликов к 30-м суткам сопровождается формированием костно-углеродного блока, имплантат при этом частично покрывается вновь образованной костной тканью, интимно связанной с его поверхностью. 3. При замещении циркулярных дефектов длинных костей конечностей собак к 60 сут на стыке кость-имплантат формируется прочное костно-углеродное сращение, о чем свидетельствует отсутствие патологической подвижности в указанной зоне. 4. В случае удлинения конечности дистракционный регенерат достигает необходимой прочности через 37 дней после внедрения углеродного имплантата, что позволяет прекращать внешнюю фиксацию аппаратом. 5. Формирование полноценных кортикальных пластинок вокруг УНИ позволяет рекомендовать данный вид имплантатов к использованию в клинической практике. 6. Недостаток УНИ - рентгенонеконтрастность.

About the authors

S. P Mironov

Central Institute of Traumatology and Orthopaedics named after N.N. Priorov, Moscow

V. I Shevtsov

N. A Kononovich

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopaedics, Kurgan

M. A Stepanov

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopaedics, Kurgan

E. N Gorbach

Russian Ilizarov Scientific Center for Restorative Traumatology and Orthopaedics, Kurgan

G. Sh Golubev

Rostov State Medical University, Rostov-on-Don

K. S Sergeev

V. I Arkhipenko

A. A Grin’

V. L Skryabin

Perm State Medical Academy, Perm’

L. B Reznik

Omsk State Medical Academy, Omsk

V. D Shatokhin

A. A Baimuratov

References

Supplementary files