CC BY
45
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА_
УДК 616.71-003.93
DOI 10.21685/2072-3032-2016-3-1
А. Н. Митрошин, Д. В. Никишин, Д. В. Смоленцев, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин
АНАЛИЗ ОСТЕОИНТЕГРАЦИИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ, ОБРАБОТАННЫХ ЛИНЕЙНО-ЦЕПОЧЕЧНЫМ УГЛЕРОДОМ
Аннотация.
Актуальность и цели. Цель исследования - сравнить особенности остеоин-теграции титановых имплантатов, подвергшихся лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода с титановыми импланта-тами, подвергшимися лазерной обработке.
Материалы и методы. С помощью компьютерной томографии исследованы большеберцовые сегменты нижних конечностей от 18 половозрелых крыс-самцов линии Wistar с имплантированными титановыми штифтами, подвергшимися лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода и титановыми штифтами с лазерной обработкой через 30, 60 и 90 сут после операции с последующим гистоморфологическим изучением образцов тканей из области установки титанового имплантата.
Результаты. Выявлено, что к трем месяцам эксперимента в основной группе исследования (имплантаты с модифицированной лазерной обработкой поверхности, покрытые линейно-цепочечным углеродом) отмечаются более активные процессы остеоинтеграции, в отличие от контрольной группы (установлены имплантаты с модифицированной лазерной обработкой поверхности), где преобладают процессы остеофиброинтеграции.
Выводы. Титановые штифты, подвергшиеся модифицированной лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода, обладают высоким остеокондуктивным потенциалом, способствуя активизации процессов остеоинтеграции в системе «имплантат - кость» в короткие сроки с наилучшими клиническими результатами.
Ключевые слова: остеоинтеграция, лазерная обработка поверхности, титановый имплантат, линейно-цепочечный углерод.
A. N. Mitroshin, D. V. Nikishin, D. V. Smolentsev, M. A. Ksenofontov, D. A. Kosmynin
ANALYSIS OF OSSEOINTEGRATION OF THE MODIFIED
LASER SURFACE OF TITANIUM IMPLANTS, TREATED WITH LINEAR-CHAIN CARBON
Abstract.
Background. The aim of the study is to compare the features of reparative processes in the bone during installation of titanium implants with laser treatment and with subsequent application of linear-chain carbon thereon.
Materials and methods. Using computed tomography the authors studied tibial segments of the lower extremities of 18 adult male Wistar rats with implanted titanium pins, which were subjected to laser treatment followed by application of linear-chain carbon and titanium pins with laser treatment in 30, 60 and 90 days after the operation, followed by histomorphological studies of tissue samples from the titanium implant installation region.
Results. It has been revealed that after 3 months of the experiment the main study group (implants with modified laser surface treatment, coated with linear-chain carbon) demonstrated more active processes of osseointegration unlike the control group (installed implants with modified laser surface treatment) with dominating processes of osteofibrointegration.
Conclusion. The titanium pins with modified laser treatment and subsequent application of linear-chain carbon have a high osteoinductive potential, promoting activation of osseointegration processes, providing creation of a full-fledged system "implant-bone" in a short time with the best clinical results.
Key words: osseointegration, laser surface treatment, titanium implant, linear-chain carbon.
Введение
В основе философии бесцементного эндопротезирования, обеспечивающего долговечность и функциональность современных систем имплантируемых конструкций, лежит стабильная фиксация последних в костной ткани. Остеоинтеграция, обеспечивающая долгосрочную стабильность имплантата, является результатом анатомической и функциональной взаимосвязи, возникающей на границе контакта костной ткани с имплантатом под влиянием ремоде-лирующих физиологических нагрузок. Первичная механическая фиксация имплантата по принципу press-fit в дальнейшем сменяется остеоинтеграцией, происходящей в результате врастания костной ткани в поверхность имплантата [1].
Для создания поверхностей, обеспечивающих более надежную механическую фиксацию и ускоряющих биологические процессы остеоинтеграции, в настоящее время используют разнообразные технологии, включающие в себя пескоструйную обработку, травление кислотами, рельефную формовку, ионноплазменное напыление, микродуговое оксидирование и т.д., а также нанесение специальных текстурированных и биокерамических покрытий [2, 3].
Современные исследования по развитию остеоинтегративного потенциала имплантатов связаны с несколькими направлениями: улучшение геометрии контактной поверхности имплантатов и совершенствование технологий формирования биосовместимых покрытий с материалами нового поколения, которые стимулируют процесс костеобразования [4, 5].
Цель исследования
Сравнить in vivo остеоинтегративные свойства лазерной поверхности титановых имплантов, покрытых с целью стимуляции их поверхностного остеокондуктивного эффекта линейно-цепочечным углеродом с титановыми имплантатами, подвергшимися лазерной обработке.
Материалы и методы исследования
В экспериментах для оценки остеинтегративных процессов использовали 36 образцов титановых спиц длиной 30 мм, диаметром 0,9 мм с лазерной технологией обработки поверхности, дополнительно покрытые линейно-цепочечным углеродом в опытных образцах.
В качестве экспериментальной модели исследования были выбраны 18 крыс-самцов линии Wistar массой 200-250 г, которые были разделены на две группы - по девять особей в каждой в соответствии с образцами имплантируемых титановых штифтов.
Методика экспериментальной операции. После обработки операционного поля 0,5 % спиртовым раствором хлоргексидина и раствором йодопиро-на под эфирным наркозом производили прямой разрез кожи и подкожной жировой клетчатки по передней поверхности голени длиной 10 мм. С помощью бормашины пильным диском берцовую кость остеотомировали в поперечном направлении на границе средней трети. Рассверливали проксимальный и дистальный фрагмент большеберцовой кости сверлом диаметром 0,9 мм на малых оборотах с постоянным охлаждением внутрикостного канала физиологическим раствором хлорида натрия. Штифты вводили ретроградно, добиваясь плотной посадки: в левую большеберцовую кость имплантировали контрольные титановые спицы с лазерной обработкой поверхности, а в правую опытные титановые спицы с лазерной обработкой, дополнительно покрытые линейно-цепочечным углеродом (ЛЦУ). Рану послойно ушивали узловыми швами (капрон 4/0). Гемостаз производили по ходу операции.
Животных выводили из опыта в сроки 30, 60 и 90 сут посредством передозировки эфирного наркоза. Материал для исследования забирали при аутопсии, которая включала вычленение сегмента голени.
Компьютерно-томографическое исследование проводили на микротомографе SkyScan 1178 на 30, 60 и 90 сут после операции. Лучевое исследование включало в себя выполнение обзорной цифровой рентгенограммы с последующим измерением плотности костного регенерата в единицах Хаунс-филда (HU) с последующей 3Б-реконструкцией зоны интереса. Величина коллимации колебалась от 80 до 160 мкм и зависела от протяженности диапазона сканирования.
Гистологическая обработка. Материал предварительно фиксировали в 10 % растворе формалина. Декальцинацию проводили в азотной кислоте, далее следовала проводка через спирты возрастающих концентраций и заключение в парафиновый блок. Полученные с каждого блока микропрепараты окрашивали гематоксилином и эозином и по Ван-Гизону. Препараты анализировали с использованием микроскопа LeicaDM-1000 при помощи фотонасадки Nikon. Гистоморфометрический анализ завершался математической обработкой данных с помощью программ Exel 2007, Statistica for Windous 7.0.
Результаты исследования и их обсуждение
При гистологическом исследовании ткани вокруг титановых импланта-тов контрольной и опытной групп были выявлены следующие изменения.
На 30-е сут отмечалось формирование первичной костной мозоли, состоящей из грубоволокнистой соединительной ткани, хрящевой ткани и новообразованной костной ткани. Она состояла преимущественно из переплетенных коллагеновых волокон и большого количества фибробластов - коллаген продуцирующих клеток. В толще соединительнотканной мозоли обнаруживаются множественные хрящевые клетки хондроциты, начинающие образовывать изогенные группы, и появляется хрящевой матрикс. Толщина первичной костной мозоли различна - максимальна у штифтов с лазерной обработкой поверхности с ЛЦУ, минимальна у штифтов с лазерной модификацией поверхности (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Формирование первичной костной мозоли вокруг титанового имплантата с лазерной обработкой (а) в сочетании с ЛЦУ (б), 30-е сут;
Окраска по Ван-Гизону; ><200
На 60-е сут на границе интерфейса продолжает формироваться грубо-волокнистая соединительная мозоль, содержащая хондроциты. Новообразованные костные пластинки беспорядочно ориентированы. Клеточный спектр представлен большим количеством фибробластов, остеобластов и небольшим количеством остеоцитов. Кроветворные островки активно появляются между костными трабекулами в ячейках ретикулярной ткани, наиболее активно ан-гиогенез выражен в периимплантационной зоне титановых штифтов, подвергшихся лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода (рис. 2).
На 90-е сут наблюдается дальнейшее созревание и формирование костной ткани вокруг имплантатов. Соединительнотканный компонент замещается костно-хрящевым компонентом, начинаются процессы ремоделирования. Наиболее активно он наблюдается у штифтов, подвергшихся лазерной обработке поверхности с ЛЦУ и менее активно у штифтов с обычной лазерной обработкой поверхности. В новообразованных костных балках большое количество остеобластов и остеокластов, что говорит об активных процессах перестройки костной ткани (рис. 3).
Морфометрическое исследование имплантата с модифицированной лазерной обработкой поверхности.
Морфометрическое исследование показало незначительное увеличение доли костного компонента с 30-х сут (41,32 ± 1,1%) до 90 сут (48,41 ± 2,2 %) (табл. 1).
б)
Рис. 2. Формирование новообразованной костной ткани вокруг титанового имплантата с лазерной обработкой (а), в сочетании с ЛЦУ (б) (сплошная стрелка), 60-е сут; окраска гематоксилином и эозином; ><200
Хрящевая ткань при исследовании на 30-е сут занимала 8,99 ± 0,7 % от общей площади с последующим планомерным уменьшением к 90-м сут до 2,00 ± 0,1 % (р < 0,05).
Объемная доля соединительной ткани на 30-е сут составила 36,94 ± 2,2 % с последующим статистическим достоверным (р < 0,05) уменьшением к 90-м сут до 23,02 ± 1,3 % (табл. 1).
Средняя толщина соединительнотканной прослойки между костной тканью и имплантатом максимальна на 30-е сут (39,74 ± 3,6 мкм). В оставшиеся временные промежутки толщина соединительной ткани имела тенденцию к уменьшению: на 60-е сут - 26,46 ± 2,5 мкм и на 90-е сут - 24,45 ± 1,7 мкм. Средняя площадь кровеносных сосудов имела тенденцию к плавному увеличению своих значений с 30-х сут (0,72 ± 0,01 %) до 90-х сут (1,41 ± 0,1 %).
б)
Рис. 3. Фиброзная капсула у титанового имплантата с лазерной обработкой (а) (прерывистая стрелка). Сформированная костная ткань в периимплантационной зоне титанового имплантата с лазерной обработкой в сочетании с ЛЦУ (б) (сплошная стрелка), 30 сут; окраска по Ван-Гизону; ><200
Морфометрическое исследование имплантата с модифицированной лазерной обработкой поверхности с нанесением линейно-цепочечного углерода
Морфометрическое исследование показало увеличение доли костного компонента с 30-х сут (42,89 ± 1,8 %) до 90-х сут (82,74 ± 2,6 %) (табл. 2).
Хрящевая ткань при исследовании на 30-е сут занимала 3,20 ± 0,3 % от общей площади с последующим резким уменьшением к 90-м сут до 0,2 ± 0,01 %.
Таблица 1
Усредненные результаты морфометрии при использовании имплантата с лазерной обработкой
Сроки Показатели
Объемная доля костной ткани, % Объемная доля хрящевой ткани, % Объемная доля соединительной ткани, % Средняя толщина соединительной ткани, мкм, % Средняя площадь кровеносных сосудов, %
30 сут 41,32 ± 1,1 8,99 ± 0,7 36,94 ± 2,2 39,74 ± 3,6 0,72 ± 0,01
60 сут 44,45 ± 1,6 5,30 ± 0,4 25,08 ±1,8 26,46 ± 2,5 0,96 ± 0,05
90 сут 48,41 ± 2,2 2,00 ±0,1 23,02 ± 1,3 24,45 ± 1,7 1,41 ± 0,1
Таблица 2
Усредненные результаты морфометрии при использовании имплантата, подвергшегося лазерной обработке с ЛЦУ
Сроки Показатели
Объемная доля костной ткани, % Объемная доля хрящевой ткани, % Объемная доля соединительной ткани, % Средняя толщина соединительной ткани, мкм, % Средняя площадь кровеносных сосудов, %
30 сут 42,89 ± 1,8 3,20 ± 0,3 25,02 ± 2,8 38,78 ± 2,1 0,76 ± 0,02
60 сут 52,17 ± 3,1 1,43 ± 0,09 18,92 ± 1,6 16,60 ± 1,5 0,98 ± 0,07
90 сут 82,74 ± 2,6 0,2 ± 0,01 8,02 ± 0,4 7,84 ± 0,8 1,95 ± 0,1
Объемная доля соединительной ткани на 30-е сут составила 25,02 ± 2,8 %, на 60-е сут - 18,92 ± 1,6 % с последующим уменьшением к 90-м сут до 8,02 ± 0,4 % (табл. 2).
Средняя толщина соединительнотканной прослойки между костной тканью и имплантатом на 30-е сут составила 38,78 ± 2,1 мкм, в оставшиеся временные промежутки толщина соединительной ткани имела тенденцию к уменьшению: на 60-е сут - 16,60 ± 1,5 мкм и на 90-е сут - 7,84 ± 0,8 мкм.
Средняя площадь кровеносных сосудов имела тенденцию к плавному увеличению своих значений с 30-х сут (0,76± 0,02 %) до 90-х сут (1,95± 0,1 %).
Таким образом, при гистологическом исследовании ткани вокруг титанового имплантата к 90-м сут видно: в контрольной группе (титановые спицы с лазерной обработкой поверхности) почти на всем протяжении зоны контакта имплантата с костным ложем визуализировалась различной степени выраженности грубоволокнистая соединительнотканная прослойка, в свою очередь в опытной группе (титановые спицы с лазерной обработкой поверхности с нанесением линейно-цепочечного углерода) отмечалось образование прямого контакта между имплантатом и незрелой костной тканью без интерсти-циальной соединительнотканной прослойки.
При морфометрическом исследовании ткани вокруг титанового им-плантата видно: в контрольной группе определяется незначительное увеличение доли костного компонента с 30-х сут (41,32 ± 1,1 %) до 90-х сут (48,41 ± 2,2 %), в то время как в опытной группе отмечается достоверное
двукратное увеличение доли костного компонента с 30-х сут (42,89 ± 1,8 %) до 90-х сут (82,74 ± 2,6 %).
Компьютерно-томографическое исследование
На серии компьютерных рентгеновских томограмм экзартикулирован-ных нижних конечностей животных были получены изображения костей голени, где визуализировался поперечный перелом средней трети большебер-цовой кости, фиксированный интрамедулярным имплантом.
При исследовании биологических образцов сроком имплантации 30 сут в опытных моделях, в отличие от контрольных, отмечалось формирование периостальных наслоений, появление теней различной плотности, заполняющих диастаз между костными отломками (рис. 4).
а) б)
Рис. 4. Рентгенограммы перелома на 30-е сут имплантата с лазерной обработкой (а), в сочетании с ЛЦУ (б)
На 60-е сут отмечалась выраженная периостальная и эндостальная костная мозоли, межфрагментарный диастаз на всем протяжении был заполнен рентгеноконтрастными тенями, которые практически полностью перекрывали зону перелома опытных экземпляров, в отличие от контрольных, где линия перелома по-прежнему прослеживалась (рис. 5).
На 90-е сут компьютерно-томографическое исследование зоны интереса с 3Б-реконструкцией выявило полную консолидацию перелома обоих образцов с признаками полной перестройки костной мозоли в опытных экземплярах. Плотность костного регенерата в периимплантационной области титановых имплантатов, подвергшихся лазерной обработке, составила ~900 Ни, а у титановых имплантатов, подвергшихся лазерной обработке с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода, ~1300 НИ (рис. 6).
а)
б)
Рис. 5. Рентгенограммы перелома на 60-е сут имплантата с лазерной обработкой (а), в сочетании с ЛЦУ (б)
Рис. 6. КТ зоны перелома на 90-е сут имплантата с лазерной обработкой (а), в сочетании с ЛЦУ (б)
Заключение
Полученные гистоморфологические и рентгенологические данные свидетельствуют о том, что поверхности титановых изделий, подвергшиеся модифицированной лазерной обработке, с последующим нанесением линейно-цепочечного углерода, обладают высоким остеокондуктивным потенциалом, способствуя активизации процессов остеоинтеграции и обеспечивая создание полноценной системы «имплантат - кость» на границе контакта к 90-м сут имплантации с достоверным двукратным увеличением доли костного компонента - 82,74 ± 2,6 % и плотностью костного регенерата - 1300 HU, в отличие от контрольной группы, где интегративные процессы менее выражены: доля костного вещества составила - 48,41 ± 2,2 %, а плотность костного регенерата - 900 HU.
Покрытие поверхностей изделий линейно-цепочечным углеродом расширяет перспективу их более широкого применения в различных областях современной имплантационной хирургии.
Список литературы
1. Тихилов, Р. М. Руководство по хирургии тазобедренного сустава / Р. М. Ти-хилов, И. И. Шубняков. - СПб. : РНИИТО им. Р. Р. Вредена, 2014. - Т. 1. - 368 с.
2. Калмин, О. В. Особенности остеогенеза при вживлении титанового имплантата, подвергшегося микродуговому оксидированию, с использованием «КоллапАн-гель» и без него / О. В. Калмин, М. А. Розен, Д. В. Никишин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2013. - № 3 (27). -С. 116-127.
3. Mitroshin, A. N. Experimental Evaluation of the Modes of Laser Processing Of the Surface of Implants and Prostheses / A. N. Mitroshin, S. I. Gerashchenko, S. M. Gerashchenko et al. // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. - 2015. - Vol. 6, № 1. - P. 1862-1868.
4. Yiqiang, Y. Osteoinduction and long-term osseointegration promoted by combined effects of nitrogen and manganese elements in high nitrogen nickel-free stainless steel / Y. Yiqiang, D. Tingting, X. Yang et al. // Journal of Materials Chemistry B. - 2016. -№ 4. - P. 801-812.
5. Ban, J. MicroCT Analysis of Micro-Nano Titanium Implant Surface on the Osseointegration / J. Ban, S. Kang, J. Kim et al. // J Nanosci Nanotechnol. - 2015. - Vol. 15, № 1. - P. 172-175.
References
1. Tikhilov R. M., Shubnyakov I. I. Rukovodstvo po khirurgii tazobedrennogo sustava [Hip joint surgery guide]. Saint-Petersburg: RNIITO im. R. R. Vredena, 2014, vol. 1, 368 p.
2. Kalmin O. V., Rozen M. A., Nikishin D. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Meditsinskie nauki [University proceedings. Volga region. Medical sciences]. 2013, no. 3 (27), pp. 116-127.
3. Mitroshin A. N., Gerashchenko S. I., Gerashchenko S. M. et al. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2015, vol. 6, no. 1, pp. 1862-1868.
4. Yiqiang Y., Tingting D., Yang X. et al. Journal of Materials Chem-istry B. 2016, no. 4, pp. 801-812.
5. Ban J., Kang S., Kim J. et al. J Nanosci Nanotechnol. 2015, vol. 15, no. 1, pp. 172-175.
Митрошин Александр Николаевич
доктор медицинских наук, профессор, директор Медицинского института, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Mitroshin Aleksandr Nikolaevich Doctor of medical sciences, professor, director of the Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Никишин Дмитрий Викторович
кандидат медицинских наук, доцент, кафедра анатомии человека, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Nikishin Dmitriy Viktorovich Candidate of medical sciences, associate professor, sub-department of human anatomy, Medical institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Смоленцев Дмитрий Викторович
директор, ООО «Мед-Инж-Био» (Россия, г. Пенза, ул. Центральная, 1)
E-mail: [email protected]
Smolentsev Dmitriy Viktorovich Director of "Med-Ing-Bio" Ltd. (1 Tsentralnaya street, Penza, Russia)
Ксенофонтов Михаил Анатольевич
ассистент, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Ksenofontov Mikhail Anatol'evich Assistant, sub-department of traumatology, orthopedics and military medicine, Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Космынин Дмитрий Алексеевич ассистент, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Kosmynin Dmitriy Alekseevich Assistant, sub-department of traumatology, orthopedics and military medicine, Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 616.71-003.93
Анализ остеоинтеграции модифицированной лазерной поверхности титановых имплантатов, обработанных линейно-цепочечным углеродом /
А. Н. Митрошин, Д. В. Никишин, Д. В. Смоленцев, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2016. - № 3 (39). - С. 5-15. Б01 10.21685/2072-30322016-3-1
