METHOD FOR REPLACING EXTENSIVE DEFECTS IN LONG TUBULAR BONES USING 3D PRINTING



Cite item

Full Text

Abstract

The fact that the scientific substantiation and promotion worldwide of the method of Ilizarov is the greatest achievement of domestic medicine, and the method of its use in filling bone deficit of upper and lower extremities have become the gold standard treatment of such patients [7]. It is known that frequent causes of the formation of a massive bone defect are injuries from projectiles with high kinetic energy, local infection, cancer, and excessive surgical aggression [4]. For a long time, the preservation of limb function in such patients was possible only in the case of non-focal transosseous compression-distraction osteosynthesis with non-free bone grafting according To G. A. Ilizarov [7]. However, the duration and result of treatment often did not fully satisfy both the patient and the attending physician [1]. The use of regenerative medicine in the practice of restoring the structural properties of damaged tissues with the help of bioactive implants allows us to count on solving difficult clinical cases in modern traumatology and surgery [12]. The question of replacing extensive defects in long tubular bones has always been relevant for both damage surgery and Oncology. Bone defects often require, in addition to the use of extra-focal transosseous compression-distraction osteosynthesis with non-free bone grafting according to GA. Ilizarov, using bone grafts or prosthetics. Titanium alloy is now widely used in dentistry and orthopedic surgery due to its relative bio-inertness and excellent mechanical and biological properties [5]. Titanium and its combined alloys are superior to all materials available in surgery that are used to replace bulk bone defects [6]. With the advent and development of 3D printing methods using metals, new opportunities for the use of titanium and its alloys have emerged, and it is now possible to create high-precision porous structures to replace bone defects in accordance with clinical needs. During the work, a prototype of the prosthesis model was developed and created using 3D printing, which is promising for further development and implementation in clinical practice

Full Text

Цель исследования: Целью работы являлась разработка и создание унифицированной модели 3D-импланта для замещения обширных травматических дефектов длинных трубчатых костей любых размеров. Оценка возможностей применения и определение оптимальной методики изготовления про- теза с учетом факторов, ускоряющих процесс взаимной интеграции импланта с живой костной тканью. Материалы и методы. Для создания виртуального проекта пластикового каркаса было использо- вано программное обеспечение “FUSION 360” [Autodesk Inc.], 3D-принтер Wanhao Duplicator D9/500 Mark II [Wanhao Duplicator]. Сам прототип протеза создавался из филаментного пластика полиэтилен- терефталата. На основе данных, полученных в ходе автоматизированного проектирования пористых структур, стало известно, что додекаэдровая структура недостижима из-за особенностей технологии производства пластиковых изделий, и данная структура может быть достигнута лишь в окончательном титановом варианте изделия, который будет печататься, исходя из результатов КТ исследований, выпол- няемых непосредственно перед печатью импланта и его применением. Результаты. Одним из преимуществ предложенного нами типа протеза для восполнения обшир- ных дефектов костной ткани стало обеспечение необходимых условий для реализации процесса обра- зования новой капиллярной сети в зоне имлантации, следовательно, и увеличение уровня оксигенации образующейся костной ткани, необходимой для нормального процесса осуществления и завершения остеогенеза [8, 9]. Планируется, что данные меры помогут ускорить процесс взаимной интеграции им- планта и живой костной ткани, что позволит надежно зафиксировать протез к проксимальным и дис- тальным краям костного дефекта, окружить металлическую конструкцию новообразованной костной структурой. В результате разработки, проектирования и создания модели-прототипа мы получили пла- стиковый вариант изделия с цельной монолитной структурой, включающий в себя два подвижных эле- мента для фиксации в проксимальном или дистальном конце зоны костной деструкции. Прототип мо- дели отображает все технические и механические свойства конечного варианта протеза из титанового сплава. Модель прототипа титанового протеза состоит из трех неподвижных частей: корпус, сверло, внутренняя шахта и двух типов подвижных: выдвигаемой стрелы и продвигающих вставок. Конструкция протеза подразумевает надежный принцип как наружной фиксации к фрагментам оставшейся кости путем всверливания протеза в дистальный или проксимальный конец зоны повреждения, так и внутрен- ней фиксации подвижной части путем расклинивания подвижной и неподвижной части вставками. В процессе разработки додекаэдровой ячеистой структуры сообщающихся полостей для титанового ва- рианта протеза мы предполагали заполнение получившихся сообщающихся полостей смесью желати- на и наногидроксиапатита с целью ускорения остеобластогенеза и взаимоинтеграции. Обоснование применения желатина заключается в том, что желатин - денатурированная форма коллагена, содер- жащая функциональные аминокислоты, необходимые для остеогенеза [10, 11]. Так же в состав конст- рукции был включен наногидроксиапатит (nHA). Обоснование применения nHA в том, что он усиливает образование костной ткани путем повышения адгезии остеобласта, пролиферации и остеоинтеграции [12]. Результаты последних исследований показали, что ремонтины (комплекс гель-желатина и наногид- роксиапатита) значительно усиливают адгезию, пролиферацию и дифференцировку костной ткани [2, ]. Данная модификация предложенного нами 3D-биомпланта путем добавления комплекса ремонти- 3нов является перспективным направлением для дальнейшего развития проекта [5]. Выводы. В случае с вариантом печати модели протеза из пластика ячеистая структура оказалась недостижима из-за технологии плавки филаментного пластика полиэтилентерефталата. Полученное изделие с системой замыкания импланта в проксимальном и дистальном отломках длинных трубчатых костей является полноценным прототипом для печати титановых имплантов по результатам КТ- исследований нижних и верхних конечностей и использовании их для замещения обширных костных дефектов у раненых и пострадавших, а, также, у пациентов с онкологическими заболеваниями. Разви- тие данной технологии изготовления индивидуальных имплантов является достаточно перспективным для применения в клинической практике.
×

About the authors

V. D Potemkin

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Ministry of Defense

St. Petersburg, Russia

References

  1. Быков, И.Ю. Военно-полевая хирургия: Национальное руководство / И.Ю. Быков, Н.А. Ефименко, Е.К. Гуманенко. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. - 115 с.
  2. Талашова, И.А. Сравнительная количественная оценка репаративного процесса при имплантации биокомпозиционных материа-лов в костные дефекты / И.А. Талашова [и др.] // Гений ортопедии. - 2012. - №2. - С.68-71.
  3. Крюков, Е.В. Опыт клинического применения тканеинженерных конструкций в лечении протяженных дефектов костной ткани / Е.В. Крюков [и др.] // Гений ортопедии. - 2019. - №25. - С.68-71.
  4. Брижань, Л.К. Современное комплексное лечение раненых и пострадавших с боевыми повреждениями конечностей / Л.К. Бри-жань [и др.] // Вестник Национального медико-хирургического центра им. Н.И. Пирогова. - 2016. - Т.11, №1. - С.74-80.
  5. Мигулева, И.Ю. Две новые модели экспериментального дефекта кости на голени крысы для исследования регенерации костной ткани после пластики различными материалами / И.Ю. Мигулева [и др.] // Экспериментальная хирургия. - 2015. - №2. - С.34-45.
  6. Крюков, Е.В.. Опыт клинического применения тканеинженерных конструкций в лечении протяженных дефектов костной ткани / Е.В. Крюков [и др.] // Гений ортопедии. - 2019. - №25. - С.68-71.
  7. Соломин, Л.Н. Основы чрескостного остеосинтеза: [в 3 т.] - Т.1. / Л.Н. Соломина. - М.: Бином, 2014. - С.9.
  8. Оноприенко, Г.А. Микроциркуляция и регенерация костной ткани: теоретические и клинические аспекты / Г.А. Оноприенко, В.П. Волошин. - М.: Бином, 2017. - 184 с.
  9. Сакович, Е.Ф. Гипербарическая оксигенация в комплексе интенсивной терапии огнестрельных и взрывных ранений / Е.Ф. Сакович [и др.] // Медицина неотложных состояний. - 2015. - №2(65). - С.147-149.
  10. Xiao, W. Cellular and Molecular Aspects of Bone Remodeling / W. Xiao [et al.] // Front. Oral Biol. - 2016. - Vol.18. - Р.9-16.
  11. Kang, S.-H. Regeneration potential of allogeneic or autogeneic mesenchymal stem cells loaded onto cancellous bone granules in a rabbit radial defect model / S.-H. Kang [et al.] // J. Hand Surgery. - 2014. - Vol.39E, Suppl.1. - P.349.
  12. McKee, M.D. Management of Segmental Bone Defects: Management of Segmental Bony Defects: The Role of Osteoconductive Orthobiologics / M.D. McKee // J. Am. Acad. Orthop. Surg. - 2006. - Vol.14. - P.163-167.
  13. Liou, J.J. Effect of Platelet-Rich Plasma on Chondrogenic Differentiation of Adipose- and Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells / J.J. Liou [et al.] // Tissue Eng. (Part A). - 2018. - Vol.24, №19-20. - P.1432-1443.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2020 Potemkin V.D.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 77760 от 10.02.2020.