Результати експериментального дослідження при імплантації титано-нікелевих пластин з напиленням матеріалу на основі біоактивного скла
Електронна версія
Журналу "Проблеми травматології та остеосинтезу"
З люб'язної згоди президента ВГО "Українська асоціація травматології та остеосинтезу" і головного редактора щоквартального науково-практичного журналу "Проблеми травматології та остеосинтезу" проф. Калашнікова Андрія Валерійовича.
Результати експериментального дослідження при імплантації титано-нікелевих пластин з напиленням матеріалу на основі біоактивного скла
Чорний В.С.¹, Проценко В.В.², Абудейх Удай¹
1. Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця МОЗ України,
2. Державна установа “Інститут травматології та ортопедії НАМН України”
Вступ. Важливе значення для розвитку медицини в цілому, та імплантології зокрема, має пошук та розробка штучних матеріалів – замінників кісткової тканини [15]. Низька корозійна і зносостійкість металевих імплантатів у корозійному рідкому середовищі тіла людини сприяє виходу іонів металу в організм і викликає алергічні та токсичні реакції в організмі [3,13]. Тому матеріали, застосовані в якості імплантатів, не повинні мати токсичність або повинні мати надійні захисні покриття на поверхні, що перешкоджає виходу іонів металу в тканини організму людини і завадить процесам розчинення та корозії [9,11,12]. На рівновагу між цими процесами впливають найрізноманітніші чинники, в тому числі біомеханічні навантаження, що виникають у системі кістка-імплантат, і потенційна наявність запалення навколо імплантату. Фізико-хімічні властивості оксидного шару: його склад і товщина, поверхнева енергія і топографія поверхні (розмір, форма, шорсткість) - впливають на біологічні реакції тканин та проліферацію клітин і їх морфологію [5,15]. Мінералізація і зв’язок з кістковою тканиною - це найважливіші процеси для підвищення біоактивності при лікуванні кістки та здатності кістки до регенерації [3]. Інтеграція кістки навколо імплантату є динамічний процес кісткоутворення і резорбції, чим вище ступінь остеоінтеграції, тим вище механічна стабільність і міцність з’єднання імплантат-кістка [4,10]. З точки зору активності по відношенню до остеокондукціі і взаємодії з кістковим матриксом автори робіт [6,8] розділили біосумісні матеріали на біоактивні, біоінертні і біотолерантні. Створено кілька видів біокераміки для нанесення на поверхню імплантатів: корундова інертна (Al2O3), поверхнево-активна (біоскло) і кераміка, яка резорбується (трикальційфосфат і гідроксиапатит) [7,9]. На даний час в якості оптимальних розглядаються біоматеріали, що містить різні поєднання кальцій-фосфатних сполук і гідроксиапатит різної структури [14], а також метали і сплави з кальцій-фосфатним покриттям на поверхні, що забезпечують біосумісність і здатність до інтеграції імплантату з кістковою тканиною [1,11,15]. Властивості гідроксиапатит-кремнієвої кераміки обумовили пильну увагу до неї дослідників і медиків. Кремній стимулює міжклітинні реакції і сприяє утворенню кісткової тканини, а також грає важливу роль у процесі мінералізації колагену [2,5,9]. У статті повідомляється про результати експериментального дослідження, щодо застосування покриттів з біокомпозитного матеріалу на основі біоактивного скла на титано-нікелевих пластинах для біосумісності з кістковою тканиною.
Мета роботи полягає в експериментальному дослідження особливостей інтеграції титано-нікелевих пластин з кісткою при покритті їх біокомпозитним матеріалом на основі біоактивного скла.
Матеріали і методи. Робота базується на даних експериментального дослідження за 30 лабораторними тваринами з віварію Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця. Експериментальні дослідження були проведені з метою морфологічного дослідження впливу імплантаційного матеріалу на основі біоактивного скла на репаративні процеси у кістці. Експеримент було виконано на щурах-самцях віком 6 місяців та масою 180±5 грам. Після обробки 70º спиртом операційне поле обкладалось стерильною білизною, кінцівки тварини фіксувалися на спеціальному операційному столі.
При хірургічному втручанні на стегні, розтин шкіри проводився скальпелем на зовнішній поверхні на всю довжину стегна, перетинались м’які тканини, распатером оброблялось окістя стегнової кістки, свердлом 2,5-3,0 мм здійснювалося висвердлювання кісткової пластини до кістково-мозкового каналу, проводилася імплантація титано-нікелевої пластинки розміром 4 мм за довжиною та 2 мм шириною, яку фіксували до кістки за рахунок загнутих кінців П-подібна форма). Застосовано два види пластинок: перший – без напилення та другий – з плазмовим напиленням на поверхню пластинки біокомпозитного матеріалу. Строк спостереження за оперованими тваринами – 3, 6 та 9 місяців. На строк спостереження взято по 5 щурів. Хірургічне втручання та виведення тварин з досліду виконували під ефірним наркозом. Для морфологічного дослідження брали стегнову кістку, в яку імплантували металеву пластинку.
Усі маніпуляції з тваринами здійснювали відповідно до вимог біоетики та міжнародних принципів Європейської конвенції про захист хребетних тварин, які використовуються для експериментальних та інших наукових цілей. (European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purpose: Council of Europe 18.03.1986. – Strasburg. –1986. 52 p.).
При напиленні використовували новий імплантаційний матеріал на основі біоактивного скла – “Біокомпозит-Синтекість” (БКС) (cвідоцтво про державну реєстрацію № 3653/2005 від 28 січня 2005р.), який синтезовано в лабораторії Інституту матеріаловедення НАН України групою під керівництвом проф. Дубка В.А.
Імплантаційний матеріал – БКС являє собою багатофазний неорганічний матеріал, синтезований методом хімічного осадження і керамічної технології. Фазний склад БКС: біоактивне скло – 50-65 мас.%, гідроксиапатит – 14-17 мас.%, вітлокіт – 14-17 мас.%, воластоніт – 7-9 мас.%.
Це біоактивний і остеокондуктивний біоматеріал, який випускається у вигляді порошків, гранул, блоків і фігурних імплантатів із значним діапазоном пористості і механічних властивостей (рис.1). БКС може утримувати неорганічні домішки, які перешкоджають розвитку бактерій та запальним процесам. БКС містить у собі тільки неорганічні сполуки і не містить ніяких органічних компонентів, тому не провокує негативні імунні реакції організму. Міцність при стисканні БКС складає від 1 до 600 Мпа для різних видів, пористість регулюється в межах 5-85%, термін резорбції складає від 6 місяців до 20 років в залежності від складу імплантату. Напилення БКС на титано-нікелеві пластинки виконувалося в лабораторії Інститута фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.
Рис.1. Зразки БКС в поліетиленовій упаковці
Визначення закономірностей процесів перебудови кістки в місці імплантації титано-нікелевої пластини з напиленням імплантаційного матеріалу, або без напилення, в експерименті проведені нами за допомогою світлового мікроскопа у відділі патоморфології Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця.
Отримані результати. При макроскопічному досліджені фрагментів стегнової кістки через 3 місяці після імплантації: у 3 тварин (пластина без напилення) спостерігалося слабо виражене утворення кісткової мозолі в місці імплантації титано-нікелевої П-подібної пластини, як на зовнішній поверхні кістки, так і інтрамедулярно (рис. 2), у 2 тварин (пластина без напилення) спостерігалося ще менш виражене утворення кісткової мозолі в місці імплантації прямої накістної пластини. У 3 тварин, яким були імплантовані прямі пластини з плазмовим напиленням біокомпозиту, спостерігалося добре утворення кісткової мозолі в місці імплантації пластини. На розрізі кісткова мозоль фіброзно-кісткової щільності. У 2 тварин, яким була імплантована П-подібна пластина з напиленням біокомпозиту, також спостерігалося добре виражене утворення кісткової мозолі, як на поверхні кістки (поперечник кісткової мозолі по товщині в місці імплантації рівний поперечнику сегмента кістки), так і інтрамедулярно, тому титано-нікелеву пластину дуже важко було відокремити від кісткової мозолі (рис. 3).
В оточуючих м’яких тканинах в місці імплантації титано-нікелевої пластини не відмічено ніяких патологічних змін (металоз, некроз м’яких тканин).
Післяопераційні рубці в прооперованих тварин спокійні, у деяких тварин на шкірі спостерігається післяопераційний шовний матеріал, нагноєння в області післяопераційних швів не відмічено.
При макроскопічному дослідженні видалених стегнових кісток у щурів через 6 місяців у випадках імплантації титано-нікелевих пластин з покриттям із БКС ми спостерігали пластинку “замуровану” в тканину, яка щільно прилягає до її поверхні. Ознак металозу не спостерігалося.
Рис.2 Видалений сегмент кістки щура, в який імплантували титано-нікелеву пластину без напилення біокомпозита
Рис.3 Видалений сегмент кістки щура, в який імплантували титано-нікелеву пластину з напиленням біокомпозита
У випадках застосування пластинок без покриття із БКС також визначалося розростання тканин навколо імплантата. Ознак металозу не спостерігалося. Рухомості імплантату у випадках введення напилених пластин не спостерігали. Видалення пластин із кістки вимагало значного зусилля та супроводжувалося руйнуван-ням кісткової тканини, що прилягала до імплантату. У той же час, при імплантації пластинок без покриття відмічалась рух-ливість імплантів, видалялись вони легко (рис.4 (а) та рис.4 (b))
Рис.4 Макропрепарати стегнової кістки після видалення імплантатів, покритих композиційним матеріалом (а) та без композиційного покриття (b)
У випадку застосування пластин з покриттям відмічається добре виражена рана при видаленні, дно якої утворено губчастою кістковою тканиною. У випадку застосування пластини без покриття – поверхня рани вкрита переважно фіброзною сполучною тканиною та явищами вираженої резорбції по краям ранової поверхні.
Видалені титано-нікелеві пластини як з покриттям, так і без нього, не мали явищ корозії, але на пластинах, які мали композитне покриття, на поверхні спостерігали наявність дрібних фрагментів кісткової тканини, міцно спаяних з поверхнею пластини, які відривались від пластини зі значним зусиллям, шляхом їх руйнування (рис. 5).
Рис. 5. Титано-нікелева пластина, вкрита композитним матеріалом, видалена через 9 міс. після імплантації, з дрібними фрагментами кісткової тканини на поверхні
При рентгенологічному дослідженні стегнових кісток, в які імплантували титано-нікелеві пластинки, через 9 місяців навколо пластинки з біоактивним покриттям спостерігали нерівномірне ущільнення кісткової тканини (рис. 6 а). При імплантації пластинок без покриття, це ущільнення було менш виразним та місцями з ознаками локальної резорбції кісткової тканини (рис. 6 b).
При світловому мікроскопічному дослідженні через 9 місяців після імплантації титано-нікелевої пластини покритою БКС – поверхня новоутвореної кісткової тканини нерівна. Кісткова тканина нерівномірної щільності, ділянками піддається активній перебудові. Ознак локальної, осередкової резорбції та металозу не спостерігається. У новоутвореній кістковій тканині та компактній кістковій тканині в місці контакту з пластиною ознак некрозу не спостерігається. Кістковий мозок переважно червоний (рис. 7).
Рис. 6 Рентгенограми ділянки стегнової кістки з імплантатом, покритим композиційним матеріалом (а) та без композиційного (б) покриття. Нерівномірне ущільнення кісткової тканини на ділянці імплантації, більш виражене при імплантації пластини з композитним покриттям. Ознаки резорбції кісткової тканини навколо імплантата без покриття. Строк спостереження 9 місяців
Рис. 7. Новоутворена кісткова тканина під імплантатом, який був вкритий композитним матеріалом. Через 9 місяців після імплантації. Гематоксилін та еозин. об. х 10
У місцях входу в компактну кісткову тканину кінців імплантата краї контакту імплантата з кісткою рівні, ознак резорбції не відмічається. Компактна кісткова тканина в цих місцях з ознаками руйнування, яке виникло внаслідок видалення імплантата з кістки, що свідчить про щільну взаємодію імплантата з кістковою тканиною після імплантації, тобто про формування блоку кістка-імплантат (рис. 8). Ознак дистрофії та некрозу кісткової тканини, осередкової резорбції та металозу не виявлено.
Рис. 8 Руйнування новоутвореної кісткової тканини в області входу ніжки імплантата з композитним напиленням у компактну кісткову тканину. Через 9 місяців після імплантації. Гематоксилін та еозин. об. х 10
Місцями в компактній кістковій тканині під пластинкою спостерігали ділянки активної перебудови новоутвореної кісткової тканини (рис. 9).
При мікроскопічному дослідженні кісткової тканини при імплантації титано-нікелевих пластин без напилення композитного матеріалу на її поверхню, у всіх випадках під пластиною формувався нерівномірної товщини прошарок фіброзної сполучної тканини (рис. 10).
Рис. 9 Ділянка активної перебудови новоутвореної кісткової тканини під імплантатом з напиленим композитним матеріалом. Через 9 місяців після імплантації. Гематоксилін та еозин. об. х 40
Рис. 10. Прошарок фіброзної сполучної тканини сформований під пластинкою без напилення композитного матеріалу. Через 9 місяців після імплантації. Гематоксилін та еозин. об. х 10
У кістковій тканині місцями під найбільш товстим прошарком фіброзної сполучної тканини спостерігали ділянки дистрофічно та некротично зміненої компактної кісткової тканини (рис. 11).
Рис. 11 Ділянка дистрофії та некрозу компактної кісткової тканини під пластиною без напилення композитного матеріалу. Через 9 місяців після імплантації. Гематоксилін та еозин. об. х 40
У більшості випадків імплантації пластин без композитного матеріалу визначали кісткові дефекти, які виникали внаслідок посилення резорбційних процесів, що в одному випадку сприяло розвитку місцевого гнійного процесу (рис. 12).
Рис. 12 Осередок гнійного запалення в компактній кістковій тканині навколо “ніжки” пластинки без напилення композитного матеріалу. Через 9 місяців після імплантації. Гематоксилін та еозин. об. х 5
Заключення. На підставі результатів проведеного нами експериментального дослідження можна вважати, що застосування титано-нікелевих пластин з покриттям імплантаційним матеріалом на основі БКС має певні переваги перед титано-нікелевими пластинами без імплантаційного покриття.
По-перше, покриття з біокомпозитного матеріалу сприяє формуванню блоку “титано-нікелева пластинка-кісткова тканина” за рахунок проростання кісткової тканини, що формується, у біокомпозитний матеріал. Це проявляється міцністю спайки імплантованої титано-нікелевої пластинки та компактної кісткової тканини, неможливістю видалення пластини без руйнування кістки, а також залишками кісткової тканини на титано-нікелевій пластині після її видалення. Крім того, щільний контакт між титано-нікелевою пластиною та кістковою тканиною, формуючих єдиний блок, не сприяє розростанню фіброзної сполучної тканини, яка, як відомо, за своїми біомеханічними властивостями поступається кістковій тканині.
По-друге, застосований біокомпозитний матеріал не викликає в прилеглих до імплантата тканинах, насамперед кістковій, негативних змін (дистрофії та некрозу), не впливає на перебіг репаративного остеогенезу, про що свідчить активне формування блоку “титано-нікелева пластинка-кісткова тканина”.
По-третє, застосування титано-нікелевих пластин без покриття біокомпозитним матеріалом супроводжується розвитком фіброзної сполучної тканини, яка виникає, переважно, внаслідок мікрорухомості імплантата. Мікрорухомість імплантата є також одним із факторів, який сприяє дистрофічним змінам у кістковій тканині та виникненню осередків резорбції.
Висновки.
1. З урахуванням макроскопічного дослідження можна говорити про те, що металоостеосинтез переломів кістки ефективніший при використанні титано-нікелевих пластин з плазмовим напиленням на поверхні матеріалу на основі біоактивного скла сприяє швидшому утворенню кісткової мозолі і ремоделюванню кістки.
2. Результати нашого експериментального дослідження дозволяють нам рекомендувати застосування в клінічній практиці імплантатів з покриттям матеріалом на основі о скла, при металоостеосинтезі, для більш скорішого репаративного остеогенезу.
Література
1. Апатит-біополімерні матеріали та покриття для біомедицини (стан та перспе-ктиви досліджень у лабораторії «Біонанокомпозит» СумДУ): Монографія; за загальною редакцією чл.-кор. НАНУ Л. Ф. Суходуба. – Суми, 2015. – 254 с.
2. Кореньков О. В. Оптимізація репаративного остеогенезу за допомогою каль-цій-фосфатних остеопластичних матеріалів (огляд літератури) / О. В. Кореньков // Ор-топедия, травматология и протезирование. – 2014. – № 1. – С. 110 – 116.
3. Лазаренко Г.О. Гіперчутливість до металу в ендопротезуванні. Методи діагно-стики та лікування (огляд літератури) / Г.О. Лазаренко // Літопис травматології та орто-педії. – 2016. – № 1-2 (33-34). – С.192 – 198.
4. Огієнко М.М. Морфологія репаративної регенерації довгої кістки скелета під впливом загальної дегідратації організму у віковому аспекті: дис. канд. мед.наук : 14.03.01 / Огієнко Максим Миколайович. – Суми, 2015. – 254 с.
5. Оцінка цитотоксичності біокераміки, легованої іонами срібла й міді, у культу-рі мультипотентних мезенхімальних стромальних клітин жирової тканини людини / О.С. Лисенко, А.В. Борисенко, Д.О. Зубов [и др.] // Современная стоматология. – 2014. – № 4 – С.127 – 132.
6. Попков А.В. Биосовместимые имплантаты в травматологии и ортопедии (об-зор литературы) / А.В. Попков // Гений Ортопедии. – 2014. – № 3. – С. 94 – 99.
7. Сафронова Т. В. Медицинское неорганическое материаловедение в России: кальцийфосфатные материалы / Т. В. Сафронова, В. И. Путляев // Наносистемы: физи-ка, химия, математика. – 2013. – № 4 (1). – С. 24 – 47.
8. Biodegradable Materials for Bone Repair and Tissue Engineering Applications / Zeeshan Sheikh, Shariq Najeeb, Zohaib Khurshid [et al.] // Materials. – 2015. – Vol. 8(9). – P. 5744 – 5794.
9. Bio-SiC ceramics coated with hydroxyapatite using gas-detonation deposition: An-alternative to titanium-based medical implants / M.I.Klyui, V.P.Temchenko, O.P.Gryshkov [et al.] // Functional Materials. – 2013. – Vol. 20, No.2. – P.163 – 171.
10. Histological and bone morphometric evaluation of Osseointegration aspects by al-kali hydrothermally-treated implants / H.Umehara, R. Kobatake, K. Doi [et al.] // Applied Sciences. – 2018. – Vol. 8(4). – P.635.
11. In vitro antibacterial evaluation of sol–gel-derived Zn-, Ag-, and (Zn þ Ag)-doped hydroxyapatite coatings against methicillin-resistant Staphylococcus aureus / S.Samani, S.M.Hossainalipour, M.Tamizifar [et al.] // J. Biomed Mater. Res. – 2013. – Vol.101, Part A. – P.222 – 230.
12. Keramische Abutments Einaktueller Uberblick / M. Gustav, H. Spiekermann, D. Edelhoff [et al.] // Implantologie. – 2003. – V.11., №2. – P. 139 – 156.
13. Metallic Biomaterials: Current Challenges and Opportunities / K. Prasad, O. Ba-zaka, M. Chua [et al.] // Materials. – 2017. – Vol. 10(8). – P.884.
14. Porous biomorphic silicon carbide ceramics coated with hydroxyapatite as prospec-tive materials for bone implants / O.P. Gryshkov, M.I. Klyui, V.P. Temchenko [et al.] // Mate-rials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 68. – P. 143 – 152.
15. Surface Roughness of Implants: A Review / Alla Rama Krishna, Ginjupalli, Kishore [et al.] // Trends in Biomaterials and Artificial Organs. – 2011. - Vol 25. – P.112 –118.
