COMPARATIVE DYNAMICS OF MORPHOLOGICAL CHANGES AND MORPHOMETRIC CHARACTERISTICS IN THE REGION OF A MANDIBULAR DEFECT AFTER THE IMPLANTATION OF POLYURETHANE AND TITANIUM PLATES AND SCREWS (AN EXPERIMENTAL STUDY)

Full Text

Разработка материалов и устройств для имплантации в челюстно-лицевой хирургии остается актуальной проблемой неорганической химии, химии высокомолекулярных соединений и сопровождается выполнением многочисленных экспериментальных исследований [1, 7]. Практика хирургии предъявляет разнообразные требования к биоматериалам, которые имплантируют по показаниям, хотя идеальный во всех отношениях материал для имплантации пока не найден, но искусственные материалы благодаря своим ценным свойствам уже находят широкое применение [1—3]. В большинстве работ, посвященных изучению реакций ложа на имплантаты, установлено, что такой материал, как гидроксилапатит, в зависимости от химического состава, температуры спекания и композиционной формы длительно персистирует в тканях, при этом его резорбция происходит очень медленно [3, 6, 10]. В то же время остеогенез на поверхности гранул этого имплантата регистрируется не во Маланчук Владислав Александрович — д-р мед. наук, проф., член-корр. Нац. АМН, зав. каф., тел. 8 (044) 483-94-93 всех случаях и оказывается топографически неоднородным, что может быть связано с патологическими процессами в ложе имплантации [6]. Из биодеструктируемых полимерных материалов, которые используются для изготовления разнообразных фиксаторов в ортопедии и черепно-челюстнолицевой хирургии, наиболее широко изучены и получили применение поливинилпирролидон [8], по-лигликолиды и полилактиды [1, 7, 11—14], а также полиуретаны (ПУ) [5, 9, 15]. Полиуретановые полимеры в ряде работ использовали как основу для создания, изучения физико-химических свойств и апробации в эксперименте сложных биокомпозитов, в том числе как носителей биологически активных средств, в частности иммуномодулятора левамизола [4, 5, 9]. Полиуретановые полимеры и изделия из них имеют ряд преимуществ, которые выгодно отличают их от металлических устройств, — легкость обработки при достаточной прочности, низкая теплоемкость, постепенная резорбируемость и сопоставимая экономичность [5, 9]. Нами исследован материал биоактивного действия, содержащий иммуномодулятор левамизол, на основе ПУ с улучшенными механическими свой 7 РОССИЙСКИЙ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, №2, 2012 ствами (прочность и т. п.), из которого можно изготавливать накостные пластины, в том числе для остеосинтеза [4]. Однако биологические свойства полиуретановых имплантатов в виде разных устройств для фиксации костных фрагментов в сравнении с общеизвестными металлическими в экспериментальных исследованиях в полной мере не изучены, а различия между ними не представляются очевидными. Цель нашего экспериментально-морфологического исследования — установить особенности реакций костной и мягких тканей и их различия при лечении последствий острой травмы нижней челюсти в группах сравнения, в которых животным имплантировали металлическими пластины и шурупы, полимерные пластины и шурупы, изготовленные из полиуретан-эпоксидной композиции с добавлением иммуномодулятора левамизола. Материал и методы Эксперимент поставлен на 52 крысах, которым под кета-миновым наркозом с соблюдением принципов медицинской этики и асептики наносили бором диаметром 1,5 мм транскортикальный дырчатый дефект тела нижней челюсти на глубину 3 мм. После гемостаза дефект закрывали накостной пластиной овальной формы размером 8 х 6 х 1 мм из разных материалов: в 1-й группе животных (21 крыса) пластиной из ПУ, во 2-й группе (16 крыс) — из титана. Пластины фиксировали над внешним отверстием дефекта нижней челюсти двумя титановыми шурупами с диаметром рабочей части 1,5 мм, длиной 5 мм (рис. 1, а, б, на вклейке). В 3-й группе животных (15 крыс) с обеих сторон челюсти симметрично просверливали два отверстия диаметром 1,5 мм. В каждое из них завинчивали шурупы: справа — титановые, слева — полиуретановые (рис. 1, в, на вклейке). После гемостаза раны послойно зашивали. Животных содержали в обычных условиях вивария и выводили из эксперимента в сроки 7, 14, 30, 90 сут после имплантации ингаляцией летальной дозы эфира для наркоза. Нижние челюсти выделяли вместе с окружающими мягкими тканями, выполняли рентгенографию в аксиальной проекции (см. рис. 1, а, б, в, на вклейке), пластины и шурупы демонтировали. Челюсти декальцинировали 5% раствором азотной кислоты. Гистологические блоки вырезали в гори зонтальной плоскости с включением дефекта и заливали в целлоидин. Срезы толщиной 10 мкм окрашивали гематоксилином и эозином и гематоксилином и пикрофуксином по ван Гизону. Гистологические исследования и микрофотографии выполняли на микроскопе OLYMPUS CX-41. При гистологическом исследовании определяли наличие остеонекрозов в краях дырчатого дефекта, характер периостального и эндостального регенератов, которые образовались вокруг дефекта и прилегали к имплантату, активность остеогенеза в костных регенератах, строение капсулы имплантата, характер патологических процессов в капсуле имплантата. Для количественной оценки репаративной реакции кости на повреждение и персистирование имплантированных материалов (пластины, шурупы) производили отбор и окрашивание гистологических срезов, изготовленных из блоков челюстей на разных уровнях резания. Площадь костных регенератов в гистопрепаратах измеряли под стереомикроскопом МБС-2 с применением окулярной измерительной сетки, имеющей 196 пересечений. Площадь, соответствующая одному пересечению, составляла 0,02 мм2. В сериях крыс, которым имплантировали титановые и ПУ-пластины, определяли общую площадь регенератов в срезе и площадь регенератов в проекции дырчатого дефекта. В сериях крыс, которым в дырчатый дефект были ввинчены титановые и ПУ-шурупы, определяли площадь регенератов, которые окружали канал шурупа с обеих сторон кортекса челюсти. Средние значения этих показателей и другие характеристики с указанием метода статистического сравнения представлены в табл. 1, 2. Результаты гистологического исследования тканей локусов имплантации пластин и шурупов Имплантация накостных пластин. В срок наблюдения 7 сут дырчатый дефект почти во всех случаях был перекрыт незрелой соединительной тканью и губчатыми костными регенератами (рис. 2, на вклейке). Ткань, которая заполняла дефект, распространялась непосредственно в капсулу пластины и была представлена грануляционной или незрелой фиброзной тканью, в которой отмечена мононуклеарная инфильтрация разной плотности. В инфильтратах преобладали лимфоциты и макрофаги, экссудативное воспаление имело характер серозного. Периостальные и эндостальные костные регенераты располагались на латеральной поверхности тела и ветви нижней челю Таблица 1 Статистические характеристики морфометрических показателей площади срезов костных регенератов в местах имплантации титановых и полиуретановых пластин, закрывающих дырчатый дефект нижней челюсти у крыс Срок наблюдения и абсолютная площадь костных регенератов в срезах, мм2 Группа сравнения импланта тов 7 сут 14 т у с 3 О сут 9 О сут ские характеристики групп общая площадь костного регенерата в срезе площадь регенерата в проекции дефекта общая площадь костного регенерата в срезе площадь регенерата в проекции дефекта общая площадь костного регенерата в срезе площадь регенерата в проекции дефекта общая площадь костного регенерата в срезе площадь регенерата в проекции дефекта Титановые n 3 3 3 3 5 5 3 3 пластины X 1,780 0,493 1,813 0,293 3,068 0,812 1,960 0,393 sX 0,424 0,093 0,052 0,123 0,809 0,257 0,239 0,087 Полиуре- n 4 4 3 4 5 5 3 3 тановые пластины X 3,095 0,510 3,460 0,375 3,132 0,960 3,073 1,320 sX 0,618 0,139 0,662 0,107 0,604 0,269 0,557 0,461 Примечание. Здесь и в табл. 2: n — число животных (локусов подсчета); X — средняя арифметическая; sX — ошибка средней арифметической. 8 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Таблица 2 Статистические характеристики морфометрических показателей площади срезов костных регенератов вокруг титановых и полиуретановых шурупов, имплантированных в дырчатый дефект нижней челюсти у крыс Группа сравнения имплантатов Статистические характеристики групп Срок наблюдения и абсолютная площадь костных регенератов в срезах, мм2 7 сут 14 сут 30 сут 90 сут Титановые пластины n 3 4 4 4 X 1,313 1,460 1,845 0,835 sX 0,414 0,442 0,189 0,136 Полиуретановые пластины n 3 3 4 4 X 1,800 1,407 1,750 1,230 сти, т. е. по краям ложа накостной пластины, в краях дефекта, на медиальной поверхности челюсти, в проекции дефекта и каналов шурупов. Во всех локусах регенераты были образованы незрелой костной тканью с признаками активного остеогенеза (рис. 3, на вклейке). Через 14 сут после нанесения дефекта и фиксации имплантата отмечено увеличение объема костной части регенерата, который заполнял дефект, а также некоторое увеличение объема периостальных костных регенератов по краям пластины и на медиальной поверхности челюсти (рис. 4, на вклейке). В сравнении с предыдущим сроком наблюдения костные регенераты выглядели более плотными, компактизированны-ми. В незрелой фиброзной ткани, которая замещала дырчатый дефект, в этот срок наблюдения под ПУ-пластиной встречались мельчайшие фрагменты ПУ с перифокальной гранулематозной воспалительной реакцией инородных тел. На 30-е сутки после имплантации титановой пластины полость дефекта была частично перекрыта костно-фиброзным регенератом (рис. 5, на вклейке), в котором определялись признаки созревания с утолщением и уплотнением трабекул, участками остеорезорбции, замещением незрелой фиброзной ткани в костно-мозговых полостях желтым и красным костным мозгом. В случае имплантации ПУ-пластин степень замещения дырчатого дефекта различалась: у одних животных дефект был полностью заполнен созревающим костным регенератом, у других регенераты из зрелой костной ткани располагались по краям дырчатого дефекта (рис. 6, на вклейке). Через 90 сут после начала эксперимента дефект был заполнен костно-фиброзной тканью с разным соотношением и качеством ее компонентов: фиброзная ткань плотная оформленная или миксоидно-измененная, костная ткань полностью компактизи-рована, пластинчатого характера, без признаков активности остеогенеза. Аналогичные свойства имели периостальные регенераты по краям ПУ-пластины и на медиальной поверхности тела челюсти, в проекции просверленных каналов везде в новообразованных регенератах определялись признаки продолжающейся перестройки костной ткани. Имплантация шурупов. В срок наблюдения 7 сут вокруг титановых и ПУ-шурупов определялась тонкая соединительнотканная капсула из незрелой фиброзной и грануляционной ткани. Ткань капсулы шурупа содержала мононуклеарные инфильтраты малой плотности; в инфильтратах преобладали лимфоциты и макрофаги, экссудативное воспаление в этих случаях было слабовыражено. Незрелая костная ткань образовывала периостальные регенераты, которые были построены из незрелой ретикулофиброзной ткани с участками активного остеогенеза (рис. 7, на вклейке). В толще капсулы ПУ-шурупов в разных местах содержались небольшие гранулы гомогенного материала — результат абразии ПУ (рис. 8, на вклейке). Как и в случае применения титановых шурупов, на поверхностях кости вокруг дырчатого дефекта определялись распространенные губчатые костные регенераты с признаками активного остеогенеза. Через 14 сут после нанесения дырчатых дефектов и введения титановых шурупов вокруг них определялась соединительнотканная капсула, которая в большинстве мест была построена из плотной фиброзной ткани, лишь кое-где встречались участки незрелой грануляционной ткани. Воспалительная мононукле-арная инфильтрация была незначительной, что соответствовало продуктивному воспалению низкой активности. По сравнению с предыдущим сроком наблюдения регенераты на поверхностях кости вокруг дырчатого дефекта выглядели более плотными, ком-пактизированными, а признаки активного остеогенеза наблюдались лишь в некоторых местах. Капсулы вокруг ПУ-шурупов в этот срок наблюдения были также построены из более или менее зрелой фиброзной ткани (рис. 9, на вклейке), в которой попадались гранулемы инородных тел вокруг мелких гранул и глыбок гомогенного материала (ПУ). Периостальные костные регенераты вокруг краев дырчатого дефекта были большей частью зрелыми, компактизированны-ми, органотипически перестроенными, признаки активности остеогенеза наблюдались в них лишь в местах, непосредственно прилежащих к ПУ-шурупам. На 30-е сутки после моделирования дырчатого дефекта и введения титановых шурупов в 3 случаях имплантаты были окружены капсулой из незрелой, в одном случае из зрелой фиброзной ткани (рис. 10, на вклейке). Периостальные костные регенераты на внешней поверхности кости были в большей или меньшей степени компактизированы. В участках, обращенных к шурупу, наблюдались признаки сохранения активности остеогенеза. Капсулы ПУ-шурупов во всех случаях имплантации состояли из незрелой фиброзной ткани, в трех случаях из четырех содержали участки грануляционной ткани, мелкие инкорпорированные гранулы инородных тел гомогенного вида, которые сопровождались гранулемами. Периостальные костные регенераты вокруг краев дырчатого дефекта 9 РОССИЙСКИЙ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, №2, 2012 во всех случаях были компактизированы с сохранением активного остеогенеза (рис. 11, на вклейке). Через 90 сут после начала эксперимента титановые шурупы были окружены сравнительно тонкой капсулой из зрелой фиброзной ткани и компактизиро-ванными периостальными регенератами с медулли-зацией и отсутствием активного остеогенеза. В двух случаях в проекции стенок дырчатого дефекта содержалась зрелая новообразованная костная ткань, образующая наложения непосредственно на поверхности шурупов. Вокруг ПУ-шурупов капсула также была построена из зрелой фиброзной ткани, в двух случаях стенка дырчатого дефекта была отделена от шурупа сравнительно толстой капсулой из зрелой фиброзной ткани, в одном из них — с включениями гомогенных инородных тел. В одном случае костные регенераты кое-где содержались непосредственно на поверхности ПУ-шурупа (рис. 12, на вклейке). Во всех исследованных случаях имплантации ПУ-шурупов периостальные регенераты вокруг дырчатого дефекта кости были ассимилированы, компактизированы, без признаков активности остеогенеза. Результаты морфометрического исследования костных регенератов Результаты морфометрии костных регенератов в области экспериментальной травмы нижней челюсти при имплантации разных устройств из титана и ПУ (см. табл. 1, 2; рис. 13) свидетельствуют о том, что в случае применения ПУ-пластин как общие размеры костных регенератов, так и размеры регенератов в проекции дырчатого дефекта во все сроки наблюдения имеют большие средние значения, чем при применении титановых устройств, при этом индивидуальные параметры довольно сильно варьируют, что предопределяет недостоверность различий средних величин в соответствующих сериях групп сравнения. Особенно заметно значительное преобладание средних размеров общей площади регенератов вокруг ПУ-пластин в ранние и отдаленные сроки после имплантации (см. рис. 13, а). Существенно также преобладание средних размеров костных регенератов в проекции дефекта, закрытого ПУ-пластинами, в отдаленные сроки наблюдения, когда регенераты под титановыми пластинами уменьшаются вследствие компактизации и перестройки (см. рис. 13, б). В местах имплантации титановых и ПУ-шурупов в дырчатые дефекты челюстей средние параметры в разных сериях близки по значениям, или отмечается некоторое преобладание средних величин для ПУ-шурупов через 7 и 90 сут, недостоверное при данном числе наблюдений (см. рис. 13, в). Обсуждение Сравнительный качественно-количественный анализ патологических изменений и основных процессов в челюстях крыс в группах исследования показал, что изменения в полости дефекта челюсти, капсулах пластин, каналах крепежных шурупов однотипны и различаются лишь выраженностью проявления тех или иных морфологических симптомов. Можно отметить только одно различие: в толще капсулы ПУ-пластины у некоторых животных встречались мелкие инкапсулированные инородные тела — микрофрагменты ПУ, вокруг которых наблюдалась мононуклеарная инфильтрация, соответствовавшая неспецифическому гранулематозному продуктивному воспалению низкой активности. Степень выраженности и характер тканевых регенератов, замещающих дырчатый дефект, оказались разными даже в сериях, относившихся к одному сроку наблюдения в группах сравнения. Так, в срок 30 сут в группе животных с имплантированными ПУ-пластинами из шести наблюдений в трех дефект был полностью замещен зрелым костным регенератом, в группе крыс с титановыми пластинами в этот срок во всех случаях дефект был замещен фиброзно-костным регенератом. Сравнивая полученные нами данные с результатами работ других авторов, которые применяли пластины из полимеров молочной и гликолевой кислот [1, 2, 7], можно отметить, что применение ПУ-пластин обеспечивает адекватное замещение дефекта нижней челюсти фиброзно-костными регенератами, которые, постепенно созревая и подвергаясь ком-пактизации, замещают дефект кости. Качественноколичественные морфологические особенности регенератов в группах сравнения свидетельствуют о том, что в случае применения ПУ-пластин частота а Рис. 13. Сравнительная динамика средних значений площади (в мм2), занимаемой костными регенератами. а — в срезах в дырчатых дефектах и вокруг пластин; б — в проекции дырчатого дефекта челюсти при использовании пластин; в — вокруг шурупов, изготовленных из разных материалов, имплантированных в дырчатые дефекты челюсти. 10 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ замещения дефектов регенератами, в которых преобладает костная ткань, несколько выше, чем в группе, в которой применяли титановые пластины. Это выявлено нами в сериях животных при сроках 7 и 30 сут от начала эксперимента. Результаты исследования показали, что уже через несколько суток в ложе имплантации шурупов формируется соединительнотканная капсула, периостальный и эндостальный костный регенерат, которые характеризуются незрелостью и сохранением активности остеогенеза. В более поздние сроки наблюдения происходит постепенное созревание фиброзной капсулы как титанового, так и полиуретанового шурупа. Существенным различием морфологических изменений капсулы титановых и ПУ-шурупов является наличие в капсуле ПУ-имплантата мелких фрагментов полимерного материала, которые обнаруживали во все сроки наблюдения вплоть до 90-х суток после имплантации. Эти частицы имели разный размер, как правило, были расположены в фиброзной ткани капсулы, при этом наблюдалась макрофагально-гигантоклеточная гранулематозная реакция инородных тел. Подобные изменения вокруг титановых имплантатов не обнаруживались. Появление в ложе, а со временем в капсуле ПУ-имплантата долек полимера мы связываем с частичной абразией резьбовой части ПУ-шурупа при его завинчивании в дырчатый дефект нижней челюсти. В течение максимального срока наблюдения в нашем исследовании (90 сут) полная биодеструкция частиц, которые образовались вследствие абразии полимера, не происходила. В единичных случаях, когда ПУ-шуруп вследствие отлома его головки оставался фиксированным в дырчатом дефекте кости (см. рис. 12), можно было наблюдать биодеструкцию этого имплантата весьма незначительной степени. Репаративная регенерация костной ткани с образованием периостальных регенератов вокруг дырчатого дефекта в челюсти отмечена при имплантации как титановых, так и ПУ-шурупов. Признаки активности остеогенеза на обеих поверхностях челюсти вокруг краев дефекта прослеживались вплоть до 30-х суток после создания дефекта и имплантации шурупа. Признаки компактизации регенератов были заметны уже через 14 сут после имплантации. В сроки 30 и 90 сут была хорошо выражена органотипическая перестройка регенератов с их медуллизацией. Лишь в единичных случаях в срок 90 сут на поверхности нарезанной части титановых и ПУ-шурупов наблюдались участки непосредственной аппозиции костной ткани. Результаты сравнительного морфометрического исследования площади регенератов в гистологических срезах показали, что в случае применения ПУ-пластин средние значения площади регенератов в дырчатых дефектах и вокруг пластин и площади регенератов в проекции дырчатого дефекта во все сроки наблюдения были большими, чем при применении титановых пластин, а в случае применения ПУ-шурупов — заметно большими в некоторые сроки наблюдения. Полученные данные свидетельствуют о том, что применение устройств из ПУ может в некоторой степени стимулировать увеличение размеров костных регенератов. Выводы 1. Имплантация титановых и полиуретановых пластин и шурупов в область дырчатого дефекта нижней челюсти в эксперименте на крысах уже в ранние сроки наблюдения (7—14 сут после имплантации) вызывает формирование соединительнотканной капсулы, которая со временем созревает и сохраняется вплоть до 90-х суток после имплантации. 2. Применение ПУ-пластин показало, что контакт с полимерным имплантатом не нарушает ход процессов заживления дефекта и регенерационного замещения его новообразованной костной тканью. 3. Имплантация полиуретановых пластин и шурупов для закрытия дырчатого дефекта челюсти в эксперименте сопровождается персистированием мелких частиц полимера в толще фиброзной капсулы имплантата, тем не менее заметной биодеструкции ПУ-шурупов в сроки наблюдения вплоть до 90 сут не установлено. 4. Фиброзная капсула ПУ-шурупов в отличие от капсулы титановых имплантатов содержит очаги неспецифического гранулематозного воспаления инородных тел вокруг частиц ПУ, что, однако, мало влияет на созревание капсулы и формирование периостальных костных регенератов вокруг дырчатого дефекта. Очевидной причиной образования частиц инородных тел является абразия ПУ краями костного дефекта. 5. Периостальные костные регенераты вокруг дефектов нижней челюсти, в которые завинчены ПУ-шурупы, уже через 14 сут после имплантации проявляют признаки компактизации, позднее — органотипической перестройки с медуллизацией, хотя участки активности остеогенеза в регенератах можно наблюдать вплоть до 30-х суток после имплантации. 6. Средние величины площади костных регенератов в области имплантации ПУ-пластин, а именно общей площади регенератов и площади регенератов в проекции дырчатого дефекта, несколько выше, чем в соответствующих сериях животных, в которых применяли титановые пластины. 7. Средние величины общей площади регенератов вокруг ПУ-шурупов, имплантированных в дырчатые дефекты челюсти, в ранние и поздние сроки после имплантации превышают средние значения соответствующего показателя для локусов имплантации титановых шурупов либо приближаются к ним.

About the authors

V. A Malanchuk

E. A Astapenko

V. V Grigorovsky

References

Supplementary files