PROPERTIES OF CELLULAR STRUCTURES IN BONE DEFECT RECONSTRUCTIONS

Full Text

Введение Несмотря на высокий уровень достижений в пластической хирургии, остается актуальным поиск новых эффективных методов устранения костных дефектов, ведущийся как отечественными, так и зарубежными учеными [1-3]. Формирующая челюсти костная ткань является сложным по своему строению материалом, напоминающим трехмерную структуру, состоящую из «распорок и пластинок», и пребывает в гомеостатическом равновесии резорбции и образования костной ткани [7]. Происходит процесс ремоделирования костной ткани, описанный впервые Frostom. Опираясь на эту теорию и рассматривая строение нижней челюсти как сложную трехмерную структуру, мы предложили методику изготовления и замещения полных и частичных дефектов альвеолярного отростка, а также тела нижней челюсти ячеистыми имплантатами из титана (марка ВТ-5); с ячейками Вигнера-Зейтца; (патент на изобретение № 2469682, 2012). Современные технологии позволяют получать геометрически сложные объекты, в том числе с внутренней стержневой ячеистой структурой, обладающие значительными прочностными характеристиками, низким весом, что является весьма актуальным для восстановительной хирургии [4-6]. Цель исследования - в эксперименте на животных показать направленную интеграцию костной ткани в ячеистую структуру из титана, внедренную в искусственно созданные костные дефекты, провести анализ результатов морфологических исследований. Материалы и методы исследования Нами совместно с сотрудниками кафедры конструирования машин и сопротивления материалов (заведующий кафедрой - доктор технических наук, профессор А.М. Ханов) Пермского национального исследовательского политехнического университета проведено моделирование с использованием трехмерных систем и изготовление имплантатов с ячеистой структурой по технологии стереолитографии (Stereolithoqraphy-SLA). Материалом для прототипирования служили: титан марки ВТ-5, фотополимер SI 500 и металлический порошок коррозионно-стойкой аустенитной стали AISI 316L. Изделия с ячеистой структурой с заданными формой и размерами ячеек получены на машине EOSINT M 250X. В системе установлен газовый (СО2) лазер мощностью 200 Вт. Полученные таким образом металлические конструкции не нуждались в дальнейшей обработке, точно соответствовали размерам костного дефекта, повторяли анатомическую форму челюсти. Таким образом, технической задачей, стоящей перед нами, было создание эффективных способов замещения различных костных дефектов челюстей с помощью ячеистых имплантатов. Для воссоздания нормальной архитектоники костной структуры челюстей и с целью оптимального позиционирования внедряемых имплантатов нами было разработано 3 их вида с учетом размеров ячеек, типа конструкции, вида, степени и локализации костных дефектов: 1. Имплантаты для замещения полных дефектов челюстей после их резекции с ячейками 850 мкм. 2. Имплантаты для замещения частичных костных дефектов после блок-резекции с ячейками 550 мкм. 3. Имплантаты для замещения полостей после удаления околокорневых кист с ячейками 250 мкм. Для выявления репаративных свойств ячеистых структур нами осуществлен первый этап исследования на животных. Эксперименты проводили на беспородных белых крысах, возраст - 3 месяца, масса - 180 г. Работы выполнены в соответствии с приложение к приказу Министерства здравоохранения СССР от 12.08.1977 г. № 755, «Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях» от 18.03.1986. Текст изменен в соответствии с положениями протокола (ETS № 170), после его вступления в силу 2 декабря 2005 года. Имплантаты, основу которых составляет ячеистая структура, были введены в область основания хвоста животных, являющегося продолжением позвоночного столба. По данным R. Ruimerman [9, 10], структура позвонков имеет костное и пористое вещество, являясь в принципе идентичной строению нижней челюсти. Двум крысам внедрены имплантаты с размером ячеек 250 мкм, двум другим - с ячейками 550 мкм и одному животному - 850 мкм. Внедрение имплантатов осуществляли следующим способом: животное помещали в фиксатор (рестрейнер) для лабораторных животных. После антисептической обработки операционного поля с помощью инсулинового шприца производили блокаду нервного ствола введением 1%-ного раствора лидокаина в межпозвонковую область в объеме от 0,5 до 0,7 мл, а также в окружающие мягкие ткани (от 1,0 до 1,5 мл). После рассечения кожи, подкожной клетчатки длиной до 2 см и надкостницы проводили отслоение ее от кости позвонков, обнажали позвонки с хрящевыми дисками. Осторожно с помощью пилящего инструмента хрящевые диски резецировали у рядом стоящих позвонков. Имплантат помещали между фрагментами позвонков, фиксировали с помощью костного шва жестко тонкой проволокой, подтягивали фрагменты позвонков к ячеистой структуре имплантата. Мягкими тканями закрывали имплант и ушивали проленом (0,3 мм). Линию швов покрывали марлевой повязкой с мазью «Левомеколь». У двух животных имплантаты вводили без резекции хрящевого отдела позвонков хвоста: после антисептической обработки операционного поля и блокады 1%-ным раствором лидокаина (до 5,0 мл) осуществлены разрезы кожи и подкожной клетчатки с надкостницей. Распатором надкостницу отделяли от кости позвонка, удаляли кортикальный слой с кости позвонка. Имплантат вводили между губчатым слоем позвонка и надкостницей без дополнительной фиксации, надкостницу и мягкие ткани ушивали проленом (0,3 мм). Линию швов покрывали марлевой повязкой с мазью «Левомеколь», пришитой к коже. Визуальная оценка состояния имплантатов проводилась в сроки 1, 2 месяца (Удостоверение на рационализаторское предложение № 2586, 17.05.2012 г.). Подопытных животных выводили из эксперимента в соответствии со сроками (3 мес.), после чего осуществляли забор мягких тканей и костной структуры вместе с имплантатом. Взятый материал погружали в «Трилон-В» на 3 месяца для проведения декальцинации костной ткани. После заливки материала в парафин-целлоидин полученные препараты исследовали, поместив в световой микроскоп с увеличением в 50 раз. Нами проведен сравнительный анализ интеграции тканей в ячейки имплантата с результатами морфологических исследований интеграционных свойств пористого «Углекона-М». В своей работе Г.И. Штраубе [8] отмечает, что в те же сроки (3 мес.) на шлифе в отраженном свете имплантат имеет четкие округлые контуры, окружен формирующейся соединительнотканой капсулой. Однако в порах углеродистого имплантата все еще отсутствует какая-либо ткань. Результаты и их обсуждение На машине EOSINT M 250X по технологии стереолитографии (Stereolithoqraphy-SLA) изготовлены изделия с ячеистой структурой заданной формы и размером ячеек 250; 550 и 850 мкм, которые и были помещены в искусственно созданные костные дефекты в области основания хвоста у белых беспородных крыс в течение 3 мес. В результате исследования установлено, что у всех подопытных животных послеоперационный период протекал без серьезных осложнений: животные активны, аппетит сохранен, температура тела в норме, имеются нежные послеоперационные рубцы, окруженные плотным волосяным покровом. В то же время у 3 (16,7 %) испытуемых обнаружено снижение веса от 20 до 30 граммов и частичное обнажение ячеек имплантатов. На рентгенограмме имплантат прослеживался в виде нечеткой тени на фоне кости, что говорит о тотальном проникновении структуры в ячейки титанового изделия. После выведения животных из эксперимента выделено 5 макропрепаратов. При исследовании препаратов в световом микроскопе (увеличение в 50 раз) нами выявлено, что соединительная ткань плотно окружает снаружи все 3 типа имплантатов, формируя капсулу (рис. 1, а-в). Ячейки размером 550 и 850 мкм тотально заполняются соединительной тканью и формирующейся костной тканью. В ячейках 250 мкм она определяется только в периферических отделах. Установлено, что в имплантатах с ячейками 250 мкм соединительная ткань по их периферии была плотной и однородной, а глубже становилась рыхлой и в центре ячеек практически отсутствовала (рис. 2). В титановых имплантатах с ячейками 550 мкм соединительная ткань на периферии плотная и однородная, проникает на 2/3 в ячейки имплантата, но в их центральных зонах рыхлая и неоднородная (рис. 3). Имплантат с ячейками 850 мкм был полностью заполнен соединительной тканью, пронизывающей все его ячейки, плотно прилегающей к металлу. Субстрат напоминает по плотности структуру грубоволокнистой кости (рис. 4). Проведенный сравнительный анализ с результатами Г.И. Штраубе (2001) применения пористого «Углекона-М» в те же сроки (3 мес.) показал, что имплантат окружен формирующейся соединительнотканой капсулой, в порах его отсутствует какая-либо ткань (рис. 5). В то же время ячеистая структура имплантата из титана с ячейками 850 мкм полностью заполнена грубоволокнистой костью. а б в Рис. 1. Три типа имплантата с ячеистой структурой (а - 250 мкм, б - 550 мкм, в - 850 мкм) с интегрированными тканями. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×50 Рис. 2. Образец имплантата с ячейками 250 мкм: отсутствует соединительная ткань в центральных участках ячеек. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×50 Рис. 3. Соединительная ткань, заполнившая 2/3 пространства ячеек (550 мкм) имплантата. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×50 Рис. 4. Полное заполнение ячеек (850 мкм) имплантата тканевыми структурами. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×50 1 2 Рис. 5. Имплантат из «Углекона-М» (1), окруженного лишь формирующейся соединительнотканой капсулой (2) без врастания в материал (3 мес. после имплантации) Выводы Таким образом, результаты исследования показали, что через 3 месяца происходит врастание соединительной ткани в ячейки титанового имплантата, но скорость прорастания, количество и качество тканевого субстрата в ячейках напрямую зависят от их размеров. 1. При визуальном осмотре макропрепаратов выявлено, что ткань плотно окружает все 3 типа имплантатов, образуя капсулу, проникает в ячейки, но заполняет их в зависимости от размера. 2. В центре ячеек имплантатов размером 250 мкм соединительная ткань полностью отсутствует или покрывает лишь металлические ребра ячеек. 3. В ячейках размером 550 мкм соединительная ткань занимает все пространство, но в центре ячеек она имеет рыхлое строение. 4. Соединительная ткань полностью заполняет ячейки имплантатов (размер 850 мкм), плотно прилегая к металлу с очаговым образованием грубоволокнистой кости. 5. На рентгенограмме прослеживается слабоконтрастная тень имплантата, что говорит о тотальном проникновении структуры в ячейки титанового изделия. 6. Для сравнения: при исследовании препаратов из «Углекона-М» в те же сроки (3 мес.) на шлифе в отраженном свете имплантат окружается лишь формирующейся соединительнотканой капсулой без врастания в его поры каких-либо тканей.

About the authors

V P Vasilyuk

Email: vasilyuk.vladimir53@mail.ru

G I Shtraube

V A Chetvertnykh

References

Supplementary files