Автореферат и диссертация по медицине (14.01.15) на тему:Комплексная оценка интеграции имплантатов с наноструктурными биоактивными керамическими покрытиями и костной ткани (экспериментальное исследование)

На правах рукописи

Ланцов Юрий Алексеевич

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ИНТЕГРАЦИИ ИМПЛАНТАТОВ С НАНОСТРУКТУРНЫМИ БИОАКТИВНЫМИ КЕРАМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ И КОСТНОЙ ТКАНИ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)

14.01.15 - травматология и ортопедия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

9 ИЮН 2011

САРАТОВ-2011

4849204

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации; Государственном учреждении «Волгоградский медицинский научный центр» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации.

Научный руководитель: доктор медицинских наук,

профессор Маланин Дмитрий Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Барабаш Юрий Анатольевич;

доктор медицинских наук, профессор Самодай Валерий Григорьевич.

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации.

Защита состоится «22» июня 2011 г. в «11-00» часов на заседании диссертационного совета Д 208.094.01 при ГОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздравсоцразвития России по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Б.Казачья, 112.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздравсоцразвития России.

Автореферат разослан «Ai » 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор медицинских наук, профессор

Маслякова Г.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Актуальной проблемой современной ортопедии является создание им-плантатов, в наибольшей степени отвечающих анатомо-биомеханическим требованиям отдельных сегментов опорно-двигательного аппарата, и их надежная фиксация в костной ткани. Особое значение это имеет при эндопротезировании суставов.

Известно, что использование имплантатов без специальных покрытий не всегда обеспечивает надежную фиксацию [Надеев А.А., 2004; Ахтямов И.Ф., Кузьмин И.И., 2006; Shalabi М.М., 2006; Li J.P., Habibovica P., van den Doel M. et al., 2008]. Применение цементной техники имеет сравнительно более высокий риск развития нестабильности компонентов эндопротеза и значительно затрудняет ревизионную артропластику, поэтому подавляющее большинство авторов предпочитает (особенно у молодых пациентов) бесцементное эндопроте-зирование [Кузин В.В., 2005; Тихилов P.M., 2007; Загородний Н.В., Макушин В.И., Пантелеева А.С. с соавт., 2009; Hampton B.J., Harris W.H., 2006; Wroblewski В.М., Siney P.D., Fleming P.A., 2007]. Основным механизмом, обеспечивающим долгосрочную стабильность имплантата, признается биологическая интеграция, которая подразумевает возникновение анатомической и функциональной взаимосвязи между изменяющейся живой костью и поверхностью имплантата под влиянием физиологических нагрузок.

Улучшение фиксации бесцементных эндопротезов в костной ткани достигается при использовании разнообразных текстурированных (пористые, ша-риковидные, коралловидные), а также биокерамических покрытий их поверхностей. Логика дальнейшего развития этого направления связана приближением поверхности имплантатов к нормальной трехмерной структуре костной ткани на основе применения нанотехнологий, новых биоматериалов, факторов роста, что вызывает пристальный интерес со стороны ученых разных специальностей [Маланин Д.А., Писарев В.Б., Калита В.И. с соавт., 2006; Карлов А.В., Саприна

Т.В., Кириллова Н.А. с соавт., 2008; Moroni L., Hamann D., Paoluzzi L. et al., 2008].

Среди биокерамических покрытий имплантатов широкое распространение получили биоактивные соединения на основе гидроксиапатита (ГА) и фосфата кальция (ФК) [Анфимов П.Е., Зимин Ю.В., Денисов В.М. с соавт., 2006; Карлов А.В.. Саприна Т.В., Кириллова Н.А. с соавт., 2008; Калита В.И., 2009; Kim Н., Camata R.P., Lee S. et al., 2007; Borsari V., Fini M., Giavaresi G. et al., 2009]. По литературным данным, они способны улучшать взаимодействие поверхности имплантатов с костной тканью, особенно в ранние сроки после операций [Шашкина Г.А., 2006; Siddappa R., Martens A., Doom J. et al., 2008; Yoshikawa H., Tamai N., Murase T. et al., 2009].

Вместе с тем, самоорганизующаяся граница раздела «кость - имплантат» может быть не полностью представлена органотипичной тканью, что таит в себе определенный риск развития нестабильности имплантата [Кавалерский Г.М., Кузин В.В., Жучков А.Г. с соавт., 2005; Цваймюллер К., 2006; Дружинина Т.В., Хлусов И.А., Карлов А.В. с соавт., 2007; Тихилов P.M., 2008; Motomiya М., Ito М., Takahata М. et al., 2007; Brun P., Dickinson S.C., Zavan B. et al., 2008]. Особенности строения ткани на границе раздела «кость - имплантат», формирующейся при применении различных биокерамических покрытий, остаются еще малоизученными, а полученные результаты не в полной мере согласованы с клинической практикой.

Следует отметить также, что вследствие отсутствия комплексной методики оценки интеграции имплантатов с костной тканью на экспериментальном уровне, остаются недостаточно изученными многосторонние аспекты их взаимодействия, не позволяющие установить оптимальные варианты применения современных покрытий имплантатов. Решение этой задачи будет способствовать не только расширению существующих представлений о репаративном ос-теогенезе, но и обоснованному внедрению в клиническую практику инновационных медицинских технологий.

Цель работы

Установить особенности взаимодействия трехмерного капиллярно-пористого, биоактивных керамических покрытий титановых имплантатов с костной тканью и обосновать их применение в клинической практике. Задачи исследования:

1. Разработать методику экспериментальной оценки интеграции имплантатов и костной ткани с использованием количественных и качественных показателей.

2. Представить комплексную характеристику интеграции имплантатов трехмерным капиллярно-пористым (ТКП) покрытием и костной ткани.

3. Представить комплексную характеристику интеграции имплантатов с ТОП, гидроксиапатитным покрытием (ТКП+ГА) и костной ткани.

4. Представить комплексную характеристику инте1рации имплантатов с ТКП, гидроксиапатитным и фосфатно-кальциевым покрытием (ТКП+ГА+ФК) и костной ткани.

5. Провести сравнительную оценку интеграции титановых имплантатов и костной ткани в зависимости от характера используемого покрытия.

Научная новизна

Разработана экспериментальная методика качественного и количественного определения критериев остеинтеграции с использованием достоверных методов исследования.

Выявлены особенности остеоинтеграции титановых имплантатов с ТКП покрытием, характеризующиеся костеобразованием преимущественно по эн-хондральному и десмальному типу, медленным ростом денситометрической плотности регенерата периимпдантационной области, нестабильностью прочностных характеристик границы раздела «кость - имплантат», протяженными процессами ремоделирования костной ткани.

Установлены отличия остеоинтеграции титановых имплантатов с композитными ТКП и биокерамическими покрытиями, заключающиеся в ранней эн-

хондральной оссификации, костеобразованием по мезенхимальному типу, быстром росте денситометрической плотности регенерата периимплантационной области, большей стабильности прочностных характеристик границы раздела «кость - имплантат», менее продолжительных сроках ремоделирования костной ткани.

На основании сравнительной комплексной оценки остеоинте1рации титановых имплантатов выявлено наиболее эффективное покрытие, рекомендованное для использования в клинической практике и перспективных научных исследованиях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная экспериментальная методика комплексной оценки остео-интеграции имплантатов позволяет получить новые данные о взаимодействии имплантата и окружающей его костной ткани, осуществить выбор наиболее оптимального покрытия имплантата с целью дальнейшего использования в клинической практике.

2. Реакция костной ткани на внедрение имплантатов из титана с ТКП и биокерамическими покрытиями заключается в возникновении регенераторного процесса - фиброгенеза, хондрогенеза, остеогенеза, сопровождающегося изменением денситометрической (минеральной) плотности регенерата периимплантационной области, ремоделированием костной ткани и изменениями физико-механических свойств на границе раздела «кость - имплантат». Указанные проявления регенераторного процесса могут иметь качественные и количественные отличия, что определяет разную степень остеоинтеграции имплантатов.

3. Свойства организующейся в процессе остеоинтеграции границы раздела «кость - имплантат» зависят от вида покрытия имплантата и способности его проявлять остеоиндуктивные и остеокондуктивные качества. Модификация ТКП покрытия титановых имплантатов за счет градиентного включения в их состав биокерамического слоя повышает эффективность взаимодействия с костной тканью.

Практическая значимость

Полученные данные дополняют современные представления о гистогенезе на границе раздела «кость-имплантат» при модификации поверхности им-плантата за счет ТКП и биокерамических покрытий, что является основанием для последующих фундаментальных исследований в имплантологии.

Выявленные морфологические, метаболические и физико-механические особенности взаимодействия каждого из текстурированных покрытий с костной тканью могут быть учтены для дифференцированного подхода к их использованию в клинической практике и разработки новых технологий.

Установленная динамика формирования ткани на границе раздела «кость-имплантат» при использовании различных покрытий имеет значение для оценки степени восстановления функции сустава и опороспособности конечности после эндопротезирования и разработки тактики реабилитационного лечения.

Внедрение в практику

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре травматологии, ортопедии и ВПХ с курсом травматологии и ортопедии ФУВ, кафедре патологической анатомии ГОУ ВПО Волгоградский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России. Предложенные диагностические критерии и метод прогнозирования эффективности хирургического лечения ос-теоартроза используются в лечебной работе МУЗ ГКБСМП № 25 г. Волгограда, МУЗ ГКБ № 3 г. Волгограда, МУЗ КБ № 12 г. Волгограда.

Апробация работы и публикации

Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на 55-й региональной научной конференции «Современная инновационная медицина - населению Волгоградской области (Волгоград, 2008); 56-й региональной конференции «Инновационные достижения фундаментальных и прикладных медицинских исследований в развитии здравоохранения Волгоградской области» (Волгоград, 2009); Всероссийской конференции «Современные технологии

в травматологии и ортопедии» (С.-Петербург, 2010); V Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2010); IX съезде травматологов-ортопедов РФ (Саратов, 2010).

Работа апробирована на совместном заседании сотрудников кафедр травматологии, ортопедии и ВПХ с курсом травматологии и ортопедии ФУВ, оперативной хирургии и топографической анатомии, анатомии человека, патологической анатомии ГОУ ВПО Волгоградский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России 17 декабря 2010 года.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 - в рекомендуемых ВАК Минобразования РФ изданиях.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 31 таблицу и 46 рисунков. Она состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, результатов собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов и практических рекомендаций. Список литературы содержит 270 источников (116 - на русском и 154 - на иностранных языках).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Протокол экспериментов в разделах выбора, содержания животных, моделирования патологических процессов был составлен на основе базисных нормативных документов МЗ РФ и рекомендаций ВОЗ [Березовская И.В., 1993; Червонская Г. П., Панкратова Г. П., Миронова Л. Л. с соавт., 1998; Zutphen L.F., 1993].

Исследование проводили в период с 2003 по 2010 год на 72 беспородных половозрелых собаках (144 коленных сустава) в возрасте от 3 до 4 лет и массой от 9 до 11 килограммов, разделенных на 3 опытные группы методом рандомизации (табл.1).

Непосредственным материалом для исследования послужили интра-операционные биоптаты (костные блоки), полученные в разные сроки после

имплантации титановых стержней с трехмерным капиллярно-пористым (ТКП) покрытием и различными видами биокерамических покрытий в мыщелки бедренной кости экспериментальных животных.

Таблица 1

Распределение животных в экспериментальных группах

Наименование хруппы Типы титановых имплантатов Количество

животных суставов имплантатов

ТКП С трехмерным капиллярно-пористым покрытием 24 48 144

ТКП+ГА С ТКП и гидроксиапатитом 24 48 144

ТКП+ГА+ФК С ТКП, гидроксиапатитом и фосфатом кальция 24 48 144

Всего 72 144 432

Динамику остеоинтеграции имплантатов оценивали путем комплекса исследований, включающего морфологические методы, компьютерную денсито-метрию, физико-механические испытания с определением сдвиговой прочности на границе соединения «кость-имплантат», визуальную характеристику фиксации имплантатов по оригинальной полуколичественной методике.

Трехмерное капиллярно-пористое покрытие (ТКП), разработанное в ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, наносится путем плазменного напыления порошка или проволоки на поверхность титана. Толщина покрытия составляет около 1 мм. Покрытие имеет трехмерную структуру и состоит из гребней и впадин с шероховатой поверхностью, которые берут свое начало от подложки. Указанная структура покрытия позволяет получить достаточно высокую сдвиговую прочность - около 250 МПа, что в 6 раз выше по сравнению с этим показателем у известных традиционных пористых покрытий. Впадины составляют основной

пористый объем ТКП покрытия и конструктивно предназначаются для врастания и закрепления в них костной ткани [Калита В.И., Парамонов В.А., 2002].

В институте физики и материаловедения СО РАН (г. Томск) на поверхность ТКП покрытия предложили наносить нанокристаллический гидроксиапа-тит и фосфат кальция путем микродугового оксидирования. В результате покрытие приобретало композиционное градиентное строение: оксид титана - на поверхности ТКП покрытия, биоактивный слой - снаружи и промежуточный смешанный слой - между ними. Толщина модернизированного таким образом покрытия стала составлять от 5 до 50 мкм, пористость - 10-40% с размером пор от 0,1 до 10 мкм [Мамаев А.И., Выборнова С.Н., Мамаева В.А., 2000; Калита В.И., Мамаев А.И., Мамаева В.А. с соавт., 2004].

Методика комплексной оценки интеграции имплантатов с трехмерным капиллярно-пористым, биокерамическими покрытиями и костной ткани.

Анализ доступных литературных источников, касающихся проблемы изучения процессов и исходов взаимодействия различных имплантатов с костной тканью, показал отсутствие единого подхода и методологии исследования как на экспериментальном, так и на клиническом уровне.

Имеющиеся методики [Аврунин А.С., Тихилов P.M., Шубняков И.И. с соавт., 2008; Попков А.В., Карлов А.В., Коркин А .Я. с соавт., 2009; Hamilton D.W., 2008; Kytyr D.T., Jirousek P., Pokorny D., 2010] рассматривают лишь отдельные стороны этого процесса. В связи с этим в задачи исследования входила разработка комплексной системы оценки биологических процессов, происходящих на границе «кость-имплантат», которая бы максимально отвечала современным требованиям, предоставляла возможность получения как качественных показателей остеинтеграции, так и ее количественных параметров, и отличалась воспроизводимостью. Предлагаемая методика включает в себя разработку и внедрение экспериментальной модели, максимально приближенной к условиям клиники.

Качественная оценка остеоинтеграцни имплантатов объединяет микроскопическое исследование извлеченных имплантатов, определение визуальных признаков их фиксации в костной ткани по разработанной полуколичественной методике.

Количественная оценка остеоинтеграцни имплантатов складывается из определения:

-денситометрических характеристик периимплантационной области методом компьютерной томографии;

- морфометрического исследования (определения объемной доли костной, хрящевой, соединительной ткани, численной плотности позитивных клеточных элементов для виментина и остеонектина, процента позитивных для PCNA клеток в регенерате и прилежащей к имплантату кости);

- физико-механических свойств (сдвиговой прочности) на границе соединения «кость-имплантат».

Оперативные вмешательства выполняли в условиях операционной, расположенной на территории специализированного вивария при ЛПУ ГУЗ ОКБ №1 г. Волгограда. Методика выполнения операции включала формирование каналов в суставной поверхности дистальных эпифизов бедренных костей экспериментальных животных с помощью малооборотистого сверла, соответствующего диаметру образцов. В костные каналы путем плотной посадки помещали соответствующие им цилиндрические имплантаты с различными видами покрытий в зависимости от опытной группы (табл.1) длиной 7 мм, диаметром 3,3 мм.

Материал для исследования (компьютерная денситометрия, морфологическая оценка, сдвиговые испытания) забирали при аутопсии. Животных выводили из эксперимента с соблюдением правил биоэтики.

Для проведения компьютерной томографии полученный аутопсийный материал помещали в герметичные флаконы с физиологическим раствором NaCl и сохраняли в течение 2-3 часов при температуре +4 °С до начала иссле-

дования. После завершения последнего образцы вновь помещали во флаконы со свежим физиологическим раствором NaCl и в термосохраняющем контейнере (t+4 °С) направляли на физико-механическое испытание, исследование интегральной характеристики прочности фиксации имплантатов по визуальным параметрам.

Материал для морфологического исследования забирали в отдельной группе животных. Биоптаты фиксировали в 10% - ном нейтральном забуферен-ном (рН 7,4) растворе формалина в течение 24 часов. Затем производили промывку в воде и осуществляли бескислотную декальцинацию в эквивалентных количествах раствора ЭДТА, после чего извлекали титановые имплантаты из костных блоков. После изготовления парафиновых блоков на роторном микротоме изготавливали серийные срезы толщиной 5-7 мкм, которые окрашивали гематоксилином и эозином, по Маллори, по Ван-Гизону [Саркисов Д.С., Перов Ю.Л., 1996].

Денситометрические характеристики периимплантационной области определяли путем компьютерной томографии аутопсийного материала. Томографию производили на многосрезовом компьютерном томографе высокого класса PRESTO (Производитель: Hitachi Medical Systems, Japan) с субсекундным сканированием в сроки 8, 16, 24 и 48 недель после операций. Обработку полученных томограмм производили при помощи программы «3D-DOCTOR» («АЫе Software Corp.»). Значения минеральной плотности костной ткани определяли по условной шкале от 0 до 4096 единиц.

Иммуногистохимическое исследование выполняли с использованием мо-ноклональных антител к ядерному антигену пролиферирующих клеток (PCNA, клон РС10, «Lab Vision», США), остеонектину (NCL O-nectin, 15G12, «Novoca-stra», Великобритания), виментину (anti-Vimentin, клон V9, «DacoCytomation», Дания). Визуализацию проводили с помощью непрямого иммунопероксидазно-го метода с высокотемпературной или ферментной демаскировкой антигенов. Для достоверности полученных результатов применяли позитивные контроли

антигенов, негативные контроля антигенов и негативные контроли антител [Петров С.В., Райхлин Н.Т., 2004].

Физико-механические испытания для определения показателей сдвиговой прочности на границе раздела «кость-имплантат» осуществляли в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (д-р техн. наук В.И. Калита). Сдвиговые испытания проводили на аппарате «Инстрон 1115» (Великобритания) при скорости нагружения ОД мм в минуту с максимальной шкалой диаграммы, равной 40 кг.

Гистологическое исследование препаратов проводили с помощью микроскопа «Axiostar plus» («К. Zeis», Германия), совмещенного с цифровой камерой «Сапоп» (Япония, 5.0 мегапикселей) с использованием объектива х40, хЮО и окуляра хЮ в сроки 8, 16, 24 и 48 недель после операций. Количественную обработку результатов гистологического исследования осуществляли на аппаратном комплексе «Видеотест-Морфо 4.0» (Россия, СПб). Оценивали объемную долю костной, хрящевой и соединительной ткани на границе раздела кости с ранее находившимся в ней имплантатом. Последующую вариационно-статистическую обработку проводили общепринятыми методами [Петри А., Сабин К., 2003; Новиков Д.А., Новочадов В.В., 2005]: расчет средней арифметической величины, среднего квадратичного отклонения, ошибки репрезентативности, сравнение средних значений по критерию Стьюдента с помощью программного пакета EXCEL 7.0 (Microsoft, США).

В связи с тем, что описание и оценка внешнего вида области имплантации субъективна, для увеличения точности и формализации исследования была разработана полуколичественная методика оценки визуальных признаков фиксации имплангатов, включающая вид имплантата, вид кости, расположение зоны разрушения.

Комплексная оценка интеграции имплантатов с костной тканью включала в себя сумму рассчитанных общих оценок.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнительная характеристика интеграции титановых имплантатов и костной ткани в зависимости от характера используемого покрытия

При сравнении морфофункциональных преобразований в течение репа-ративной регенерации, сопровождающей интеграцию имплантатов с ТКП, ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытиями в костную ткань, были выявлены качественные отличия.

В группе с ТКП покрытием на ранних сроках наблюдения (8 недель) регенераторная реакция на границе соединения «кость-имплантат» складывалась из остеокластической резорбции костных трабекул и балок с признаками микропереломов, очагового разрастания рыхлой волокнистой соединительной ткани, формирования островков хондроидной ткани, перестройки окружающей костной ткани. Микроскопические изменения на границе соединения «кость-имплантат» в группах с ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытиями имели общие черты, которые, наряду со слабой выраженностью процессов остеокластической резорбции, фиброгенеза и перестройки окружающей костной ткани, характеризовались интенсивным формированием очагов энхондрального окостенения, новообразованием по периферии костных пластинок и балок.

В 16 недель вокруг титановых имплантатов с ТКП покрытием интимно располагались фиброзная соединительная ткань и волокнистый хрящ с участками костной ткани в виде новообразованных костных балок и трабекул. На границе с имплантатом ТКП+ГА соединительная ткань отсутствовала, сохранялись участки гиалинового хряща, имеющие типичную гистологическую структуру. Большинство костных балок имели ровные контуры, четкие линии склеивания и высокую степень минерализации. У образцов с ТКП+ГА+ФК покрытием преобладающим типом ткани в регенератах являлась молодая слабоминерализованная губчатая кость.

В сроки 24 и 48 недель от начала эксперимента вокруг титановых имплантатов с ТКП покрытием отмечали хорошо сформированные трабекулы и

костные балки с отдельными сохранившимися участками хрящевой ткани волокнистого строения и гиалинового хряща. В микропрепаратах из зоны имплантации титановых стержней с ТКП+ГА покрытием прослеживали хорошо сформированные трабекулы и балки губчатой костной ткани с высокой степенью минерализации. В отдельных случаях наблюдали продольную концентрическую ориентацию новообразованных костных балок по отношению к им-плантату. В микропрепаратах вокруг титановых имплантатов с ТКП+ГА+ФК покрытием прослеживали хорошо сформированные костные трабекулы и балки, степень минерализации которых была высокой. Значительная часть костных балок имели четкую продольную концентрическую ориентацию относительно титановых стержней. Элементы соединительной и хрящевой ткани на границе с имплантатами в большинстве случаев не наблюдали.

Таким образом, процесс костеобразования в группе с ТКП покрытием характеризовался костеобразованием преимущественно по энхондральному типу; часть костных балок формировалась непосредственно на месте соединительной ткани, в группах с ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытиями интеграция имплантатов происходила путем энхондральной оссификации.

Сравнение динамики морфометрических изменений объемных долей (ОД) тканевых элементов в регенератах при использовании имплантатов с ТКП, ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытиями показало, что в группе с ТКП покрытием процесс фиброгенеза был достоверно более выраженным по сравнению с остальными группами. В группе с ТКП+ГА+ФК покрытием изменения ОД носили полярный характер, а группа с ТКП+ГА покрытием занимала промежуточное положение по выраженности процессов фиброгенеза. Содержание хрящевой ткани в регенератах также имело достоверные отличия на каждом сроке эксперимента в каждой из групп. При этом наименьшие значения ОД хрящевой ткани были в группе с ТКП+ГА+ФК покрытием, наибольшее - в группе с ТКП покрытием. В количественном отношении наибольшую интенсивность репаративного остеогенеза отмечали при использовании имплантатов с ТКП +

ГА и ТКП+ГА+ФК покрытиями с незначительным преимуществом в последней экспериментальной группе. Объемная доля костной ткани в группах с ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытиями была достоверно и значительно выше, чем в группе с ТКП покрытием на всех сроках эксперимента.

При сравнении результатов денситометрических исследований для всех имплантатов с разными покрытиями была установлена общая тенденция - рост плотности периимплантационной области, что было обусловлено метаболическими изменениями в периимплантационной области, характеризующимися накоплением кальция в новообразованной костной ткани (рис.1).

Рисунок 1. Динамика денситометрических показателей периимплантационной области в зависимости от вида покрытия имплантатов.

К сроку 16 недель показатели плотности тканей периимплантационной области ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытий вошли в интервал плотности губчатого вещества эпифизарного отдела бедренной кости экспериментального животного. Показатели для ТКП покрытия вошли в этот интервал только после 24 недель эксперимента. К этому сроку имело место достоверное преимущество результатов денситометрических исследований вокруг имплантатов с 'ГКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытиями над имплантатами с ТКП покрытием. Различия в показателях для ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытий оказались статистически незначимыми.

При сравнении результатов физико-механических испытаний образцы с ТКП и ТКП+ГА покрытиями через 8 недель после имплантации продемонстрировали близкие результаты сдвиговой прочности - 1,3±0,22 и 1,2±0,25 МПа соответственно, в то же время образцы с ТКП+ГА+ФК покрытием имели сдвиговую прочность 2,0±0,28 МПа, что достоверно отличалось от показателей образцов с ТКП и ТКП+ГА покрытиями и было на 65% выше, чем у покрытий ТКП и ТКП+ГА. Через 16 недель сдвиговая прочность у образцов с ТКП+ГА+ФК покрытием возросла до 5,1 ±0,60 МПа, а у образцов с ТКП покрытием - до 1,6±0,29 МПа. В эти же сроки произошло скачкообразное увеличение значений сдвиговой прочности у образцов с ТКП+ГА покрытием - до 9,8±1,54 МПа, что в 5 раз превышало показатели у образцов с ТКП покрытием и было в 2 раза выше, чем у образцов с ТКП+ГА+ФК покрытием. В срок 24 недели с момента имплантации сдвиговая прочность у образцов с ТКП+ГА покрытием также оставалась наибольшей и составляла 9,4±1,49 МПа. На позднем сроке наблюдения (48 недель) образцы с ТКП+ГА+ФК вновь вернули лидерство и показали лучшую сдвиговую прочность - 6,2±0,62 МПа, что было 2 раза выше, чем у образцов с ТКП покрытием (3,1±0,39 МПа), и в 1,4 раза выше, чем у образцов с ТКП+ГА покрытием (4,5±0,51 МПа).

Рисунок 2. Динамика сдвиговой прочности в зависимости от вида покрытия имплантатов.

В целом, сдвиговая прочность у образцов ТКП+ГА+ФК покрытием характеризовалась постепенным нарастанием показателей, отсутствием экстремумов на графике, что позволяло говорить о более стабильных процессах ремоделирова-ния кости, происходящих в периимплантационной области (рис.2).

При визуальном исследовании поверхности 8-недельных имплантатов после сдвиговых испытаний было отмечено, что разрыв соединения «кость-имплантат» во всех экспериментальных группах проходил преимущественно через костную ткань. В этом случае сдвиговая прочность соединения полностью зависела от прочности кости, образовавшейся в месте непосредственного контакта с имплантатом или на некотором расстоянии от этой границы.

В сроки 16 недель после операций во всех экспериментальных группах разрыв соединения кости и имплантата наблюдали на уровне максимальных вершин покрытий. В месте разрыва между гребнями покрытий имплантатов присутствовали пористые костные элементы, которые на образцах с ТПК покрытием имели столбчатую структуру. В 24-недельных образцах с ТКП+ГА покрытием зона разрушения после сдвиговых испытаний не отличалась от таковой в более ранние сроки наблюдения. В других экспериментальных группах разрыв между костью и имплантатом происходил через окружающую костную ткань, несколько отдаленную от границы контакта. На наиболее позднем сроке наблюдения (48 недель) зона разрушения образцов во всех экспериментальных группах проходила через кость и находилась на расстоянии от границы контакта с имплантатом. При сравнении визуальных показателей фиксации имплантатов после сдвиговых испытаний были выявлены достоверные различия в сроках и степени вовлечения в репаративный процесс их поверхности. Сравнительная визуальная оценка внешнего вида кости после сдвиговых испытаний демонстрировала лучшие показатели для ТКП+ГА+ФК покрытия в сроки от 16 до 24 недель.

При сравнении внешнего вида зоны разрушения через 8 недель после сдвиговых испытаний обнаруживали достоверное преимущество ТКП+ГА+ФК

покрытия. В сроки 16 недель лидирующие позиции занимали ТКП+ГА и ТКП+ГА+ФК покрытия при отсутствии достоверных различий между ними, а по прошествии 24 недель ТКП+ГА покрытие показало достоверно лучшие результаты. Через 48 недель эксперимента достоверных различий в оценке внешнего вида зоны разрушения, независимо от вида покрытий имплантатов, не выявляли. Анализ общих оценок визуальных показателей фиксации имплантатов после сдвиговых испытаний на всех сроках эксперимента позволил отдать предпочтение ТКП+ГА+ФК покрытию. Имплантаты с ТКП+ГА покрытием, согласно расчетным данным, занимали промежуточное положение.

Таблица 2

Сравнение комплексной оценки интеграции имплантатов с разными видами по-

Критерий комплексной оценки Покрытие имплантата

ТКП ТКП+ГА ТКП+ГА+ФК

Денситометр ические характеристики (N) 12,13 20 18,56

Результат физико-механических испытаний (F) 7,44 9,63 13,86

Визуальные признаки фиксации имплантатов (V) 16,76 18,2 18,98

Гистологические признаки интеграции (О) 15,08 17,84 18,84

Иммуногистохимические признаки характера репаративного процесса (I) 6,96 18,82 20

Комплексная оценка интеграции 58,37 84,49 90,24

Сравнение комплексной оценки интеграции имплантатов с ТКП, ТКП+ГА, ТКП+ГА+ФК покрытиями и костной ткани, рассчитанной на основе денситометрических характеристик, результатов физико-механических испы-

таний, общих оценок визуальных признаков фиксации имплантатов, количественных морфологических и иммуногистохимических признаков репаративного процесса, представило объективные данные в пользу преимуществ ТКП+ГА+ФК покрытия перед другими использованными в эксперименте покрытиями титановых имплантатов (табл.2).

Таким образом, наибольшая интенсивность репаративного процесса с остеогенной направленностью отмечалась на границе раздела «ТКП + ГА + ФК покрытие - костная ткань» и «ТКП + ГА покрытие - костная ткань». Отмеченный эффект объяснялся наличием у данных биокерамических покрытий, по сравнению с ТКП покрытием, остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойств, то есть способностью стимулировать образование и ремоделирование костной ткани, непосредственно прилежащей к периимплантационной области.

Вместе с тем ТКП+ГА+ФК покрытие показало большую стабильность показателей всех анализируемых критериев и, как следствие, лучшую прочность соединения костной ткани с поверхностью имплантата.

Проведенное исследование позволило определить минимальные сроки завершения процессов интеграции для имплантатов с ТКП покрытием и костной ткани - более 24 недель, для имплантатов с ТКП+ГА покрытием - от 16 до 24 недель. Имплантаты с ТКП+ГА+ФК покрытиями, благодаря более стабильным показателям, могли считаться интегрированными в костную ткань через 16 недель после операции.

Комплексная оценка интеграции имплантатов с биоактивными покрытиями и костной ткани позволила расположить их в следующей убывающей по эффективности последовательности: ТКП+ГА+ФК>ТКП+ГА>ТКП.

Полученные в ходе экспериментальных исследований результаты вполне поддержали современную точку зрения о том, что модификация поверхности имплантатов обеспечивает не просто увеличение площади контакта между им-плантатом и окружающими тканями или максимально биосовместимое взаимо-

действие, но в большей степени - качественное изменение процесса интеграции имплантатов в живую ткань с формированием более органотипического приживления [Карлов А.В., Шахов В.П., 2001; Надеев А.А., 2004; Eisenbarth Е., Velten D., Schenk-Meuser К. et al., 2002].

Формирование в периимплантационной области органотипичного регенерата сопровождается последовательным и устойчивым ростом денситомет-рических и физико-механических показателей и определяет эффективность процессов остеоинтеграции - вторичной фиксации имплантата в костной ткани. Свойства организующейся в процессе остеоинтеграции границы раздела «кость-имплантат» зависят от вида покрытия имплантата и способности его проявлять остеоиндуктивные и остеокондуктивные качества. Наиболее эффективным в отношении взаимодействия с костной тканью показало себя композитное градиентное ТКП+ГА+ФК покрытие титановых имплантатов.

Таким образом, полученные в представленной работе результаты свидетельствуют о перспективности дальнейшей разработки композитных пористых и биокерамических покрытий и могут служить обоснованием для клинического применения оригинальных отечественных покрытий имплантатов.

ВЫВОДЫ

1. Разработанная экспериментальная методика комплексной оценки остеоинте-грации раскрывает морфологические, метаболические и физико-механические аспекты взаимодействия имплантата и окружающей его костной ткани с получением как качественных, так и количественных показателей регенераторного процесса в динамике на границе раздела «кость-имплантат».

2. Остеоинтеграция при внутрикостной имплантации образцов из титана с ТКП покрытием характеризуется интенсивным костеобразованием преимущественно по энхондральному типу, медленным ростом денситометрической плотности регенерата периимплантационной области (до уровня 297±29 условных единиц к 48 неделям), невысокими прочностными характеристиками границы раздела «кость-имплантат» (3,1±0,39 МПа), протяженным процессом ремоделирования костной ткани (до 48 недель).

3. Остеоинтеграция при внутрикостной имплантации образцов из титана с ТКП+ГА покрытием характеризуется интенсивным костеобразованием по энхондральному типу, быстрым ростом денситометрической плотности регенерата периимплантационной области (до 537±46 условных единиц к 48 неделям), быстрым ростом сдвиговой прочности в период с 8 до 16 недель (до 9,8±1,54 МПа); процессы ремоделирования кости становились менее выраженными к сроку 36-48 недель.

4. Остеоинтеграция при внутрикостной имплантации образцов из титана с ТКП+ГА+ФК характеризуется наиболее интенсивным из всех экспериментальных групп костеобразованием по энхондральному типу, содружественно быстрым ростом денситометрической плотности регенерата периимплантационной области (до 462±39 условных единиц к 48 неделям), значительным ростом показателей сдвиговой прочности в период с 8 до 16 недель (до 5,1±0,60 МПа), стабильностью прочностных характеристик границы раздела

«кость-имплантат»; процессы ремоделирования кости становились менее выраженными к сроку 24-36 недель.

5. Свойства организующейся в процессе остеоинтеграции границы раздела «кость-имплантат» зависят от вида покрытия имплантата и способности его проявлять остеоиндуктивные и остеокондуктивные качества. Наиболее эффективным в отношении взаимодействия с костной тканью показало себя композитное градиентное ТКП+ГА+ФК покрытие титановых имплантатов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Биология и механика самоорганизующейся границы раздела «костная ткань -имплантат с наноструктурными керамическими покрытиями» / Ю.А. Ланцов, В.И. Калита, Д.А. Маланин и др.// Современная инновационная медицина -населению Волгоградской области: материалы 55-й региональной научной конференции профессорско-преподавательского коллектива ВолГМУ - Волгоград: Изд-во ВолГМУ, 2008. - С. 191-194.

2. Физико-механические свойства границы раздела между костной тканью и им-плантатами с различными биоактивными покрытиями / Д.А. Маланин, В.И.Калита, Ю.А. Ланцов и др. // Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН и Администрации Волгоградской области. - 2008. - №4. - С. 47-50.

3. Биомеханические свойства самоорганизующейся границы раздела «костная ткань - имплантат с наноструктурными керамическими покрытиями» / Ю.А. Ланцов, В.И. Калита, Д.А. Маланин и др.// Актуальные вопросы травматологии, ортопедии и реконструктивной хирургии: труды Астраханской государственной медицинской академии - Астрахань: Изд-во АГМА, 2009. - Том 38 (LXII).-C. 59-61.

4. Морфофункциональная характеристика костеобразования при использовании имплантатов с наноструктурными биокерамическими покрытиями (экспериментальное исследование) / Е.А. Крайнов, Ю.А.Ланцов, Д.А.Маланин и др. // Вестник ВолГМУ. - 2009. - 2(30). - С. 78-82.

5. Модификация поверхностей внутрикостных имплантатов: современные исследования и нанотехнологии / В.И.Калита, Д.А.Маланин, Ю.А.Ланцов и др. // Вестник ВолГМУ. - 2009. - 4. - С. 17-22.

6. Биомеханика границы раздела «костная ткань - имплантат с наноструктурны-ми керамическими покрытиями» / Ю.А.Ланцов, В.И.Калита, Д.А.Маланин и др. // Современные технологии в травматологии и ортопедии: материалы научной конференции/Под ред. В.М. Шаповалова. - СПб.: Синтез Бук, 2010. - С. 416-417.

7. Денситометрия границы раздела между костной тканью и имплантатами с на-ноструктурными биоактивными покрытиями /Д.А. Маланин, В.И.Калита, Ю.А. Ланцов и др. // Материалы IX съезда травматологов - ортопедов РФ. -Саратов: «Типография ТИСАР», 2010. - Т. 3. - с. 1119-1120.

8. Биоактивные покрытия на внутрикостных имплантатах / А.И.Мамаев, В.И. Калита, Ю.А. Ланцов и др.// Сборник научных трудов V Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения». - Волгоград, 2010. -с. 169-170.

Ланцов Юрий Алексеевич

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ИНТЕГРАЦИИ ИМПЛАНТАНТОВ С НАНОСТРУКТУРНЫМИ БИОАКТИВНЫМИ КЕРАМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ И КОСТНОЙ ТКАНИ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Подписано к печати 17.05.2011г.Формат 60x84/16. Бум офс. Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 111. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Перемена», 400131, г.Волгоград, пр.Ленина,27

Актуальность проблемы

Актуальной проблемой современной ортопедии является создание имплантатов, в наибольшей степени отвечающих анатомо-биомеханическим требованиям отдельных сегментов опорно-двигательного аппарата, и их надежная фиксация в костной ткани. Особое значение это приобретает в эндо-протезировании суставов.

Среди путей решения проблемы выделяют улучшение интегративных свойств на границе раздела за счет модификации поверхности имплантатов различными физическими и химическими методами [Москалев В.П., Корнилов Н.В., Шапиро К.И. с соавт., 2001; Краснов А.Ф., Литвинов С.Д., Цейтлин М.Ф. с соавт., 2004; Надеев А.А., Иванников C.B., Шестерня Н.А., 2004; Ах-тямов И.Ф., Кузьмин И.И., 2006; Тихилов P.M. с соавт., 2008; Загородний Н.В. с соавт., 2009; Нуждин В.И. с соавт., 2009; Lavernia C.J. et al., 1999; Samaha A.A. et al., 2007; Lexer E. et al., 2008].

В настоящее время в травматологии и ортопедии с целью увеличения жесткости фиксации и стимуляции костеобразования применяются спицы и стержни с биоинертными и биоактивными покрытиями, отличающиеся разными физико-химическими характеристиками. Ведущие позиции занимают покрытия из гидроксиапатита, в состав которого входят кальций и фосфор.

Известно, что использование имплантатов без специальных покрытий не всегда обеспечивает надежную фиксацию [Берченко Г.Н., 2000; Москалев В.П., 2001; Надеев А.А., 2004; Ахтямов И.Ф., 2006; Hagevold Н.Е. et al., 1991; Duparc J. et al., 1992; Shalabi M.M., 2006; Li J.P. et al., 2008]. Применение цементной техники имеет сравнительно более высокий риск развития нестабильности компонентов эндопротеза и значительно затрудняет ревизионную артропластику. Поэтому подавляющее большинство авторов предпочитает, особенно у молодых пациентов, бесцементное эндопротезирование [Ключевский В.В., 2000; Нуждин В.И., 2001; Кузин В.В., 2005; Тихилов P.M., 2007; Загородный Н.В. с соавт., 2009; Herberts Р. et al., 2000; Sinha R.K., 2002; Hampton B.J., Harris W.H., 2006; Wroblewski B.M. et al., 2007].

Улучшение фиксации бесцементных эндопротезов в костной ткани достигается при использовании разнообразных текстурированных (пористые, шариковидные, коралловидные), а также биокерамических покрытий их поверхностей. Логика дальнейшего развития этого направления связана с приближением поверхности имплантатов к нормальной трехмерной структуре костной ткани на основе применения нанотехнологий, новых биоматериалов, факторов роста, что вызывает пристальный интерес со стороны ученых разных специальностей [Мамаев А.И., 1998; Маланин Д.А. с соавт., 2004, 2006; Багмутов В.П., 2006; Карлов A.B. с соавт., 2008; Калита В.И. с соавт., 2009; Moroni L. et al., 2008; Nuss K.M.R., von Rechenberg В., 2008].

Среди биокерамических покрытий имплантатов широкое распространение получили биоактивные соединения на основе гидроксиапатита (ГА) и фосфата кальция (ФК) [Анфимов П.Е. с соавт., 2006; Гнедовец А.Г., 2007; Карлов A.B. с соавт., 2008; Калита В.И. с соавт., 2009; Kim Н. et al., 2007; Xu H.K. et al., 2007; Borsari V. et al., 2009]. По литературным данным, они способны улучшать взаимодействие поверхности имплантатов с костной тканью, особенно в ранние сроки после операций [Строганова Е.Е., 1998, 2003; Шашкина Г.А., 2006; Le Geros R.Z., 2002; Hing К.А., 2004; Siddappa R. et al., 2008; Yoshikawa H. et al., 2009].

Вместе с тем, самоорганизующаяся граница раздела «кость-имплантат» может быть не полностью представлена органотипичной тканью, что таит в себе определенный риск развития нестабильности имплантата [Кавалерский Г.М. с соавт., 2005; Цваймюллер К., 2006; Дружинина Т.В. с соавт., 2007; Тихилов P.M. с соавт., 2008; Motomiya М. et al., 2007; Steinert A.F. et al., 2007; Brun P. et al., 2008]. Особенности строения ткани на границе раздела «кость-имплантат», формирующейся при применении различных биокерамических покрытий, остаются еще малоизученными, а полученные результаты не в полной мере согласованы с клинической практикой.

Следует отметить также, что вследствие отсутствия комплексной методики оценки интеграции имплантатов с костной тканью на экспериментальном уровне, остаются недостаточно изученными многосторонние аспекты их взаимодействия, не позволяющие установить оптимальные варианты применения современных покрытий имплантатов. Решение этой задачи будет способствовать не только расширению существующих представлений о репара-тивном остеогенезе, но и обоснованному внедрению в клиническую практику инновационных медицинских технологий.

Цель работы

Установить особенности взаимодействия трехмерного капиллярно-пористого, биоактивных керамических покрытий титановых имплантатов с костной тканью и обосновать их применение в клинической практике.

Задачи исследования

1. Разработать методику экспериментальной оценки интеграции имплантатов и костной ткани с использованием количественных и качественных показателей.

2. Представить комплексную характеристику интеграции имплантатов с трехмерным капиллярно-пористым (ТКП) покрытием и костной ткани.

3. Представить комплексную характеристику интеграции имплантатов с ТКП, гидроксиапатитовым покрытием (ТКП+ГА) и костной ткани.

4. Представить комплексную характеристику интеграции имплантатов с ТКП, гидроксиапатитовым и фосфатно-кальциевым покрытием (ТКП+ГА+ФК) и костной ткани.

5. Провести сравнительную оценку интеграции титановых имплантатов и костной ткани в зависимости от характера используемого покрытия.

Научная новизна

Разработана экспериментальная методика качественного и количественного определения критериев остеоинтеграции с использованием достоверных методов исследования.

Выявлены особенности остеоинтеграции титановых имплантатов с ТКП покрытием, характеризующиеся костеобразованием преимущественно по энхондральному и десмальному типу, медленным ростом денситометри-ческой плотности регенерата периимплантационной области, нестабильностью прочностных характеристик границы раздела «кость — имплантат», протяженными процессами ремоделирования костной ткани.

Установлены отличия остеоинтеграции титановых имплантатов с композитными ТКП и биокерамическими покрытиями, заключающиеся в ранней энхондральной оссификации, костеобразованием по мезенхимальному типу, быстром росте денситометрической плотности регенерата периимплантационной области, большей стабильности прочностных характеристик границы раздела «кость - имплантат», менее продолжительных сроках ремоделирования костной ткани.

На основании сравнительной комплексной оценки остеоинтеграции титановых имплантатов выявлено наиболее эффективное покрытие, рекомендованное для использования в клинической практике и перспективных научных исследований.

Научно-практическая значимость

Полученные данные дополняют современные представления о гистогенезе на границе раздела «кость - имплантат» при модификации поверхности имплантата за счет ТКП и биокерамических покрытий, что является основанием для последующих фундаментальных исследований в имплантологии.

Выявленные морфологические, метаболические и физико-механические особенности взаимодействия каждого из текстурированных покрытий с костной тканью могут быть учтены для дифференцированного подхода к их использованию в клинической практике и разработки новых технологий.

Установленная динамика формирования ткани на границе раздела «кость — имплантат» при использовании различных покрытий имеет значение для оценки степени восстановления функции сустава и опороспособности конечности после эндопротезирования и разработки тактики реабилитационного лечения.

Реализация работы

Работа выполнена в лаборатории экспериментальной и клинической ортопедии Волгоградского медицинского научного центра (зав. лабораторией - д.м.н., профессор Маланин Д.А.), на кафедрах оперативной хирургии и топографической анатомии (зав. кафедрой — д.м.н., профессор Воробьев A.A.), патологической анатомии Волгоградского государственного медицинского университета (зав. кафедрой - д.м.н., доцент A.B. Смирнов).

Внедрение результатов исследования

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на кафедрах травматологии, ортопедии и ВПХ с курсом травматологии и ортопедии ФУВ, кафедре патологической анатомии ГОУ ВПО Волгоградский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России. Предложенные диагностические критерии и метод прогнозирования эффективности хирургического лечения остеоартроза используются в лечебной работе МУЗ ГКБСМП № 25 г. Волгограда, МУЗ ГКБ № 3 г. Волгограда, МУЗ КБ № 12 г. Волгограда.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная экспериментальная методика комплексной оценки ос-теоинтеграции имплантатов позволяет получить новые данные о взаимодействии имплантата и окружающей его костной ткани, осуществить выбор наиболее оптимального покрытия имплантата с целью дальнейшего использования в клинической практике.

2. Реакция костной ткани на внедрение имплантатов из титана с ТЕП и биокерамическими покрытиями заключается в возникновении регенераторного процесса — фиброгенеза, хондрогенеза, остеогенеза, сопровождающегося изменением денситометрической (минеральной) плотности регенерата пе-риимплантационной области, ремоделированием костной ткани и изменениями физико-механических свойств на границе раздела «кость — имплан-тат». Указанные проявления регенераторного процесса могут иметь качественные и количественные отличия, что определяет разную степень остеоин-теграции имплантатов.

3. Свойства организующейся в процессе остеоинтеграции границы раздела «кость — имплантат» зависят от вида покрытия имплантата и способности его проявлять остеоиндуктивные и остеокондуктивные качества. Модификация ТКП покрытия титановых имплантатов за счет градиентного включения в их состав биокерамического слоя повышает эффективность взаимодействия с костной тканью.

Апробация работы и публикации

Работа апробирована на 55-й региональной научной конференции «Современная инновационная медицина - населению Волгоградской области» (Волгоград, 2008); 56-й региональной конференции «Инновационные достижения фундаментальных и прикладных медицинских исследований в развитии здравоохранения Волгоградской области» (Волгоград, 2009); Всероссийской конференции «Современные технологии в травматологии и ортопедии» (С-Петербург, 2010); V Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2010); IX съезде травматологов-ортопедов РФ (Саратов, 2010).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, включенных в действующий «Перечень . ВАК» по медицинским наукам.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 31 таблицу и 46 рисунков. Она состоит из введения, обзора литературы, глав описания материала и методов исследования, результатов собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов и практических рекомендаций. Список литературы содержит 270 источников (116 — на русском и 154 — на иностранных языках).

ВЫВОДЫ

1. Разработанная экспериментальная методика комплексной оценки остео-интеграции раскрывает морфологические, метаболические и физико-механические аспекты взаимодействия имплантата и окружающей его костной ткани с получением как качественных, так и количественных показателей регенераторного процесса в динамике на границе раздела «кость — имплантат».

2. Остеоинтеграция при внутрикостной имплантации образцов из титана с ТКП покрытием характеризуется интенсивным костеобразованием преимущественно по энхондральному типу, часть костных балок формировалась непосредственно на месте соединительной ткани, медленным ростом денситометрической плотности регенерата периимплантационной области (до уровня 297±29 условных единиц к 48 неделям), невысокими прочностными характеристиками границы раздела «кость - имплантат» (3,1+0,39 МПа); выраженность процессов ремоделирования костной ткани сохранялась до 48 недель.

3. Остеоинтеграция при внутрикостной имплантации образцов из титана с ТКП+ГА покрытием характеризуется интенсивным костеобразованием по энхондральному типу, быстрым ростом денситометрической плотности регенерата периимплантационной области (до 537+46 условных единиц к 48 неделям), быстрым ростом сдвиговой прочности в период с 8 до 16 недель (до 9,8+1,54 МПа), уменьшением сдвиговой прочности до 4,5+0,51 МПа на позднем сроке наблюдения; процессы ремоделирования кости становились менее выраженными к сроку 36-48 недель.

4. Остеоинтеграция при внутрикостной имплантации образцов из титана с ТКП+ГА+ФК характеризуется наиболее интенсивным из всех экспериментальных групп костеобразованием по энхондральному типу, содружественно быстрым ростом денситометрической плотности регенерата периимплантационной области (до 462+39 условных единиц к 48 неделям), значительным ростом показателей сдвиговой прочности в период с 8 до 16 недель (до 5,1±0,60 МПа), стабильностью прочностных характеристик границы раздела «кость — имплантат» (рост до 6,2±0,62 МПа к 48 неделям); процессы ремоделирования кости становились менее выраженными к сроку 24-36 недель.

5. Формирование в периимплантационной области органотипичного регенерата сопровождается последовательным и устойчивым ростом денсито-метрических и физико-механических показателей и определяет эффективность процессов остеоинтеграции — вторичной фиксации имплантата в костной ткани.

6. Свойства организующейся в процессе остеоинтеграции границы раздела «кость — имплантат» зависят от вида покрытия имплантата и способности его проявлять остеоиндуктивные и остеокондуктивные качества. Наиболее эффективным в отношении взаимодействия с костной тканью показало себя композитное градиентное ТКП+ГА+ФК покрытие титановых имплантатов.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Вторичная фиксация внутрикостных имплантатов с современными видами текстурированных покрытий (без биокерамики), обусловленная врастанием в них костной ткани и формированием границы раздела «кость — имплантат», наступает к 48 неделям после операций, что в клинических условиях диктует необходимость соблюдения режима ограничения нагрузки, передающейся через имплантаты, на данный период времени.

2. При клиническом использовании внутрикостных имплантатов с текстури-рованными и биокерамическими покрытиями сроки ограничения нагрузки, передающейся через имплантаты, могут быть сокращены на несколько недель.

3. Осуществляя выбор внутрикостных имплантатов с текстурированными покрытиями предпочтение лучше отдавать тем из них, которые характеризуются пористостью 10-40 %, величиной пор от 0,1 до 10 мкм и имеют дополнительный гидроксиапатиный или гидроксиапатитный и фосфатно-кальциевый биокерамический слой.

4. В экспериментальных условиях оценку остеоинтеграции внутрикостных имплантатов целесообразно проводить с использованием комплексного исследования, включающего гистологический, иммуногистохимический метод, морфометрию, компьютерную денситометрию, сдвиговые физико-механические испытания, визуальную оценку поверхности удаленных имплантатов.

5. Полученные в ходе проведенных исследований данные о морфологических, метаболических и физико-механических аспектах взаимодействия текстурированных и биокерамических покрытий титановых имплантатов с костной тканью могут быть использованы в учебном процессе для преподавания травматологии и ортопедии, биоматериаловедения, патологической анатомии в медицинских высших учебных заведениях.