THE ULTRASTRUCTURE OF BIODEGRADABLE IMPLANTS: CHANGES DURING THE TIME

Full Text

Во всем мире роль артроскопических методов лечения и диагностики повреждений коленного сустава значительно выросла [Bigony L. et al 2008]. В тоже же время, существует много разногласий по установлению показаний к оперативному лечению при повреждениях коленного сустава и по выбору хирургической тактики. Выбор трансплантата при реконструкции передней крестообразной связки (ПКС), сроки оперативного лечения - все это зачастую остается предметом предпочтений каждого конкретного хирурга [Böstman O. et al 1992; Franco MG, et al 1994; Andersson C. et al 1992; Bruce D. et al.2005.; Chang SK et al. 2003]. Одним из основных вопросов в технике артроскопической реконструкции ПКС остается выбор метода фиксации трансплантата. В настоящее время существует большое количество типов имплантатов для фиксации трансплантата ПКС, при этом в литературе нет четких данных о преимуществах тех или иных способах фиксации в зависимости от типа трансплантата [Böstman O. et al. 1998; Daniels A.U. et al. 1990; Hoffmann R. et al. 1989; Barber F.A. et al. 1995; Brown C.H. et al.1993; Alejandro Espejo-Baena et al. 2014; Colombet P. et al. 2005]. В то же время, растет доля используемых имплантатов, выполненных из различных полимерных или биополимерных - рассасывающихся материалов («bioabsorbable implants», Pertti T. 2004), которые должны в разные сроки, в зависимости от их состава, замещаться костной тканью [Barber F. 1995; Johnson L. et al. 1995; Achtnich A. et al. 2014]. При этом в мировой литературе нет единого научного мнения об отдаленных результатах использования подобных рассасывающихся имплантатов в травматологии и орто- педии: от мнения о невозможности замещения имплантата костной тканью [Bergsma E. et al. 1995], до выводов о замещении имплантата костной тканью в короткие сроки - до 36 недель [Bцstman O. et al. 1992; Bach FD et al. 2002; Bourke HE et al. 2013]. Важнейшим элементом артроскопической техники реконструкции передней крестообразной связки является обеспечение стабильной фиксации трансплантата, которая обеспечивает возможность раннего восстановительного лечения и исключает нестабильность трансплантата в местах фиксации до момента его врастания. Преимущественно используется внутриканальная фиксация при помощи интерферентных титановых винтов [Лазишвили Г.Д. c соавт. 1997]. Производится фиксация костными штифтами [Иванов В.А. с соавт.], методом компрессионной импакции [Никитин В.В. 1985], широко используются различные модификации подвешивающих вариантов фиксации трансплантатов, с этой целью предложены различные виды фиксаторов (Trans-Fix, TightRope ACL, Endobutton CL и др.) [Королев А.В. 2004]. Перспективным является использование для фиксации трансплантата различных рассасывающихся материалов [Лазко Ф.Л. с соавт 1999; Лазишвили Г.Д. с соавт. 1997]. Целью фиксации трансплантата ПКС является обеспечение хорошего натяжения его до биологического приживления ткани в костных каналах [Ferretti A. et al. 2002; Stener S. et al. 2010; Rhee PC. et al.2011]. Впервые биодеградирующие имплантаты из полимолочной кислоты для внутренней фиксации были использованы в эксперименте рядом исследователей [Schmitt, E.E. et al. 1967; Cutright DE et al. 1971; Kulkarni RK et al. 1971]. В начале 80-х годов прошлого столетия были применены имплантаты из полигликолевой кислоты, но была отмечена низкая механическая прочность данных имплантатов (40-70 МРа) при хорошей гистологической совместимости [Christel P et al. 1982; Kilpikari J et al. 1983.; Vert M et al. 1984]. Некоторое время спустя, в производстве фиксаторов была применена техника усиления механической прочности имплантатов, и стало возможным получать имплантаты для фиксации переломов с прочностью на излом до 250-370 МРа [Rokkanen P et al. 1996; Törmälä P et al. 1987; Vainionpää S et al. 1987]. Впервые имплантаты из смеси полимеров (сплав полигликолевой и полимолочной кислот) были использованы в 1984 году [Rokkanen P et al. 1985]. Материалы, применяемые для изготовления имплантатов, могут быть разделены на разные группы материалов: природные материалы, керамические материалы, различные металлы, композитные материалы, полимеры [Törmälä P. et al.1998]. Полимеры разделяют на органические и неорганические, синтетические и несинтетические полимеры. Полимеры также разделяют на биостабильные (инертные), биодеградирующие и частично биодеградирующие полимеры. Существует ряд характеристик, которые должны быть присущи биодеградирующим имплантатам, это: высокая первичная жесткость имплантата (имплантат не должен быть слишком жестким или слишком гибким), ожидаемые сроки сохранения показателей жесткости имплантата in vivo с течением времени [Törmälä P et al. 1998]. Данным условиям соответствуют 29 типов полимеров, которые потенциально могут быть использованы в клинической практике. В настоящее время наиболее широкое применение нашли имплантаты, выполненные из полигликолевой кислоты (PGA) и полимолочной кислоты (PLA), которые являются частично кристаллизованными с линейной структурой полимерами. Данные полимеры различаются друг от друга, имплантаты из PGA являются гидрофильными, а имплантаты из PLA - гидрофобными. PGA - это высоко кристаллизованный полимер линейной структуры, прозрачный при температуре 360 С, с точкой плавления 224-2280 С (Frazza and Schmitt 1971). PLA высоко кристаллизованный линейный полимер с молекулярной массой 180000 - 530000 с L- (PLLA) или D- (PDLA) пространственной конфигурацией [Eling et al. 1982]. Деградация биополимеров в целом происходит следующим образом: полигликолевая кислота расщепляется до гликолевой кислоты, полимолочная кислота - до молочной кислоты, и в конечном итоге - до пировиноградной кислоты с соответствующей формой ацетила коэнзима А, затем продукты деградации проходят через цикл Кребса с образованием Н2О и СО2 и небольшого количества энергии. Конечные продукты деградации выделяются из организма при помощи внешнего дыхания и в небольшом количестве с мочой [Hollinger JO et al. 1986]. Сроки полного расщепления и замещения имплантата костной тканью сильно отличаются в зависимости от типа полимера. Так, имплантаты из PGA полностью расщепляются в сроки до 36 недель [Böstman O et al. 1992], в тоже время, имплантаты из полимолочной кислоты расщепляются и замещаются костной тканью по данным разных авторов не ранее чем 7 лет после имплантации (Nordström P et al. 2001; Jukkala-Partio K et al. 2002]. Нормальная гистологическая реакция на имплантат из биополимера проявляется неспецифической реакцией активации лимфоцитов - появлением макрофагов, гигантских многоядерных клеток инородного тела, небольших лимфоцитов и полиморфноядерных нейтрофилов (Santavirta S et al. 1990.). В нашем исследовании мы попытались выяснить характер изменений биодеградирующих имплантатов, находившихся в костной ткани в течение различного срока, на ультра-структуральном уровне. В исследованной литературе мы не смогли найти информации подобного рода и поэтому трактовку и описание находок произвели без ссылок на литературные данные. В ходе работы нам удалось изучить несколько имплантатов, которые были извлечены в ходе ревизионной операции по поводу разрыва аутотрансплантата (см. табл.1). Имплантаты изучали в лаборатории экспериментальной патологии клетки ГУ НИИ морфологии человека (зав. лабораторией В.П. Черников). Предварительная подготовка образцов осуществлялась методом ионной бомбардировки золотом на напылительной установке «Eiko IB-3» (Япония) в условиях вакуума (0,2 Torr) и ионном токе - 7 mA. Просмотр препаратов производили с помощью сканирующего электронного микро- скопа «Hitachi S-500» при ускоряющем напряжении 25 kV на разных увеличениях. При исследовании контрольного винта при различных увеличениях отчетливо видно, что поверхность винта не является гладкой, а представляет собой абсолютно неровную структуру, причем в разных участках структура винта различная (рис. 1-4), отдаленно напоминающая фотографии лунной поверхности. Очевидно, что подобный характер поверхности винта значительно увеличивает площадь соприкосновения его с окружающими тканями. Также следует отметить, что структура материала визуально близка к аморфной. Следующим имплантатом, который удалось исследовать, был винт BioIntrafix, представляющий собой смесь полимолочной кислоты и трикальцийфосфата. По замыслу разработчиков данного материла, трикальций-фосфат должен стать остеокондуктивным субстратом данного винта, а полимолочная кислота - обеспечить достаточные прочностные свойства имплантата. На рис. 5 можно разглядеть поверхность винта, которая представляет собой также неровную поверхность, но явных признаков разложения материала не отмечено. Винт BioIntrafix используют вместе с гильзой (Tibial Sheath, TCP/PLA, DePuy Mitek), которую мы также исследовали. Данные имплантаты находились в кости в течение 1 года. На рисунках 6 - 8 при различных увеличениях можно отметить неоднородность и неровность структуры, при этом, при большем увеличении определяются зоны вспучивания материала, что мы считаем признаками деградации материала. Следует обратить внимание, что материал, из которого изготовлены данные имплантаты, представляет собой слоистую структуру. Нами был исследован интерферентный винт Stryker (рис. 9, 10), также выполненный из полимолочной кислоты. Данный винт существовал в костной ткани 2 года, прежде чем был исследован. При электронной микроскопии отчетливо видно, что поверхность винта сглажена, как будто оплавлена. Трещин и дефектов поверхности не отмечено. Еще один исследованный имплантат - интерферентный винт Arthrex, выполненный из полимолочной кислоты и находившийся в костной ткани 4 года. На представленных слайдах можно отметить выраженное различие материала имплантата с контрольным винтом: более сглаженная поверхность имплантата (рис. 11), трещины в материале (рис. 12-14). Данные изменения можно трактовать как признаки деградации материала имплантата, при этом макроскопически винт выглядит практически без изменений (рис. 15). Таким образом, в результате нашего небольшого исследования можно сделать определенные выводы. Нам удалось исследовать имплантаты из полимолочной кислоты, которые находились в кости in vivo в течение одного, двух и четырех лет. Фиксаторы претерпевают выраженные изменения на ультраструктруном уровне, что выражается в изменении рельефа поверхности материала в ранние сроки и появлении глубоких трещин на поверхности в более поздние. Данные признаки свидетельствуют о биологической активности имплантатов в течение всего времени нахождения в живой костной ткани, при этом макроскопически они не изменились. Данные факты должны убедить хирургов во взвешенном подходе при выборе имплантатов из композитных материалов. Вопрос выбора идеального фиксатора, с точки зрения его материала, остается открытым.

About the authors

A A Akhpashev

Email: akhpashev@yandex.ru

E A Dzhambinova

A S Kanaev

D S Agzamov

References

Supplementary files