Автореферат и диссертация по медицине (14.01.17) на тему:"Ультраструктурные изменения костной ткани при огнестрельных переломах и пути их коррекции" (экспериментально-клиническое исследование)

004617208

ДЕНИСОВ

Алексей Викторович

УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ ПРИ ОГНЕСТРЕЛЬНЫХ РАНЕНИЯХ И ПУТИ ИХ КОРРЕКЦИИ

(экспериментально-клиническое исследование)

14.01.17 —хирургия 03.03.04 - клеточная биология, цитология, гистология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Санкт-Петербург 2010

- 9 пс[{ 201(3

004617208

Работа выполнена в ФГВОУ ВПО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» МО РФ

Научные руководители:

доктор медицинских наук профессор

САМОХВАЛОВ Игорь Маркеллович

доктор медицинских наук ГАЙДАШ Александр Александрович

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук профессор КОСАЧЕВ Иван Данилович

доктор медицинских наук профессор ВЕРИН Владимир Константинович

Ведущая организация:

ФГУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии имени P.P. Вредена Росмедтехнологий»

Защита состоится 20 декабря 2010 года в 14.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 215.002.10 при ФГВОУ ВПО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» МО РФ (194044, Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, д. б).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГВОУ ВПО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» МО РФ

Автореферат разослан <</^» ноября 2010 года.

Ученый секретарь совета доктор медицинских наук профессор САЗОНОВ Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема лечения огнестрельных ранений и их последствий была и остаётся одной из наиболее сложных и актуальных задач военно-полевой хирургии. Со времён изобретения пороха огнестрельное оружие постоянно совершенствуется, создаются новые виды ранящих снарядов, обладающие всё более значительной разрушительной силой (Косачев И.Д., 2001; Озерецковский Л.Б. с соавт., 2006; Белевитин А.Б. с соавт., 2010).

Одним из видов боевой травмы являются огнестрельные ранения конечностей, доля которых в современных военных конфликтах составляет 62 -72% санитарных потерь хирургического профиля. Среди них особое место занимают огнестрельные переломы, лечение которых, несмотря на достижения военно-полевой хирургии, является серьезной проблемой (Беркутов А.Н., 1974; Дедушкин B.C., 1985).

По характеру 76,4% огнестрельных переломов, полученных при ранениях современными видами оружия, преимущественно носят оскольчатый (35,1%) или раздробленный (41,3%) характер. Первичные дефекты костей выявляются у 79,3% раненых, из них у 48,7% выявлены дефекты на протяжении более 3 см диафиза, а у 30,6% более 5 см (Шаповалов В.М., 1999).

В общей структуре ранений конечностей преобладают лёгкие ранения и ранения средней степени тяжести (40,5% и 33,3% соответственно). Однако среди пострадавших с огнестрельными переломами лёгкие ранения и ранения средней тяжести составляют менее 10%, преобладают тяжёлые (85,4%) и крайне тяжёлые (5,5%) ранения (Ерюхин И.А., 1992).

К сожалению, и в настоящее время лечение огнестрельных переломов костей конечностей нередко сопровождается неудовлетворительными результатами: укорочение конечностей, ложные суставы, остеомиелит с нарушением функции конечностей в 8 - 19,6% и ампутации - в 11,8% случаев (Шаповалов В.М., Ерохов А.Н., 2006; Овденко А.Г., 2010).

Фундаментальные исследования, проведенные за последние годы в области раневой баллистики и регенерации костной ткани, показали специфичность высокоэнергетического воздействия ранящего снаряда на костную ткань с её разрушением как на микро-, гак и на ультраструктурном уровне, а также возможность воздействия на скорость и качество консолидации с помощью применения принципиально новых материалов и лекарственных препаратов - коллаген-апатитовых интерфейсов типа «КоллапАн» (Кавалерский Г.М. с соавт., 2010), имплантов с наноструктурными керамическими покрытиями (Карлов A.B., Шахов В.П., 2001, Ланцов Ю.А. с соавт., 2010), антиостеопоротических препаратов - соединений стронция. (Гайдаш A.A. с соавт., 2009). Однако характер ультраструктурных изменений костной ткани при огнестрельных переломах остается не до конца изученным, как и возможности воздействия на консолидацию таких переломов антиостеопорогическими препаратами. Таким образом, тема исследования является актуальной и клинически значимой.

Цель исследования. На основе анализа данных, полученных с помощью современных исследовательских нанотехнологий, изучить в эксперименте возможность применения стронция ранелата для коррекции ультраструктурных изменений костного матрикса в зоне «молекулярного сотрясения» при огнестрельных переломах длинных трубчатых костей конечностей.

Задачи исследования:

1. Выявить основные ультраструктурные изменения костной ткани при воздействии высокоскоростных огнестрельных ранящих снарядов.

2. Обосновать применение препарата, корригирующего выявленные изменения тонкой структуры костного матрикса при огнестрельных переломах.

3. Изучить действие стронция ранелата на ультраструктурные свойства костного матрикса при регенерации огнестрельных диафизарных переломов длинных трубчатых костей конечностей в эксперименте на животных.

Научная новизна. Впервые с помощью ультраструктурных методов исследования выявлены изменения тонкой структуры костного матрикса после огнестрельных переломов и во время их консолидации. Охарактеризован возможный вклад ударно-волновой остеопорозоподобной трансформации костного матрикса в течение раневого процесса при огнестрельной травме. Патогенетически обоснованы возможные пути коррекции остеопорозоподобных изменений костного матрикса при огнестрельных переломах.

Практическая значимость. Разработана модель огнестрельного перелома длинных трубчатых костей конечностей на биообъектах (баранах), которая может быть рекомендована к использованию при проведении экспериментальных исследований по разработке новых методов диагностики и лечения данной боевой хирургической патологии.

Использованный в исследовании комплекс современных исследовательских нанотехнологий позволяет выявить ультраструктурные изменения костного матрикса после огнестрельных переломов и в процессе их консолидации, что было недоступно ранее при использовании традиционных методов исследования.

В эксперименте доказана высокая эффективность препарата стронция в уменьшении аморфизации гидроксиапатита и упрочнении костного матрикса в лечении пострадавших с огнестрельными переломами, что может улучшить качество консолидации у данной группы пострадавших.

Личный вклад в результаты исследования. Автор принимал личное участие в планировании, организации и проведении научных исследований, направленных на изучение ультраструктурных изменений костного матрикса после огнестрельных переломов и обосновании путей их коррекции. Участвовал в подготовке и проведении исследования с участием биообъектов

(баранов) для экспериментальной оценки эффективности применения стронция ранелата в лечении огнестрельных переломов. Сформулировал предложения по оптимизации моделирования, диагностики и лечения раненых с огнестрельными переломами длинных трубчатых костей с использованием современных исследовательских нанотехнологий. Все материалы, приведенные в диссертационной работе (клинические, лабораторные и функциональные), получены и обработаны (подбор и учет данных, статистическая обработка результатов) лично автором.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования применяются в исследованиях НИЛ военной хирургии при кафедре военно-полевой хирургии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова при проведении экспериментов на животных по моделированию огнестрельных ранений, их диагностике и лечению. Кроме того, полученные данные используются в учебном процессе на кафедре военно-полевой хирургии при изложении материалов по огнестрельной травме.

Связь диссертационного исследования с плановой тематикой научно-исследовательской работы учреждения. Предложенный методологический комплекс используется для выполнения задач, поставленных в НИР ВМедА № 03.05.01.1011/0267, шифр «Ультраструктура», а также применяется в работе, проводимой в рамках программы «Изучение наноструктуры и физико-химических механизмов повреждения и репарации органов и тканей при действии поражающих факторов современных видов оружия с целью разработки методов ранней диагностики и лечения огнестрельных ран», утверждённой Начальником ГВМУ - НМС ВС РФ 3 февраля 2009 г.

Апробация. Материалы научного исследования доложены на VI Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2008); итоговой научно-практической конференции ТВМедИ (Томск, 2009); Всероссийской научной конференции «Современные технологии в травматологии и ортопедии» (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации. Основной материал диссертационного исследования опубликован в 17-ти работах в виде научных статей (в том числе в 3-х журналах, рецензируемых ВАК), тезисов докладов и главы монографии.

Структура н объем диссертационного исследования. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения, практических рекомендаций, библиографического указателя, включающего 154 отечественных и 66 зарубежных источника. Работа иллюстрирована 7 таблицами и 60 рисунками.

Положения, выносимые на защиту:

1. Ультраструктурные свойства костной ткани, связанные с анатомическим типом строения кости, влияют на характер разрушения костной ткани при воздействии огнестрельных ранящих снарядов, что выявляется при изучении изменений тонкой структуры костного матрикса.

2. Универсальным механизмом разрушения кости на ультраструктурном уровне при огнестрельной травме является остеопорозоподобная трансформация костного матрикса с расширением нанопор до мезо- и микропор, а также аморфизация кристаллов гидроксиапатита.

3. Стронция ранелат в эксперименте на животных уменьшает аморфизацию гидроксиапатита и корригирует остеопорозоподобные изменения костного матрикса в зоне «молекулярного сотрясения», что может способствовать улучшению консолидации при лечении раненых с огнестрельными переломами костей конечностей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы и методы исследования

Для выявления особенностей пространственной организации тонкой структуры костного матрикса, а также его ультраструктурных изменений при огнестрельных переломах, был спланирован первый этап экспериментальных работ, заключавшийся в проведении исследований на постмортальных образцах костной ткани человека, как в норме (30 образцов), так и с наличием огнестрельных переломов плоских костей черепа и диафизарных переломов костей бедра и голени (100 образцов).

Второй этап эксперимента имел целью изучение влияния выбранного способа коррекции выявленных ультраструктурных изменений костного матрикса в эксперименте на биообъектах (10 баранах). На данном этапе, после нанесения огнестрельного перелома диафиза большеберцовой кости, 5-ти животным проводилась традиционная схема лечения огнестрельных переломов (1-я опытная группа), а также 5-ти животным - с добавлением в рацион стронция ранелага (2-я опытная группа). В последующем, после вывода животных из эксперимента на 15-е, 30-е и 60-е сутки лечения, производился забор образцов из зоны костного регенерата и их исследование. Общая характеристика исследований представлена в табл. 1.

Во время проведения эксперимента проводились общеклинические, физикальные, лабораторные, макроскопические, рентгенологические и микробиологические исследования. После вывода животных из эксперимента полученные костные образцы были подвергнуты гистологическим, электронно-микроскопическим (сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия) исследованиям, денситометрии, рентген-структурному анализу и микротвердометрии (табл. 2).

Таблица 1.

Характеристика проведенных исследований___

№ Характеристика Количество Цели

объектов биообъектов проб образцов

I Человеческие кости в норме Мужчины 20-40 лет (5) 10 (5/5) 30 (15/15) Контроль

Человеческие кости после огнестрельного перелома Мужчины 2040 лет (25) 25 (15/10) 100 (60/40) Изучение ультрастру ктуры огнестрельных переломов

11 Трубчатые кости барана в норме Бараны-самцы (2) 2 20 Контроль

Трубчатые кости барана после огнестрельного перелома Бараны-самцы (1-я опытная группа) (5) 5 50 Изучение ультраструктуры регенерата

Трубчатые кости барана после огнестрельного перелома Бараны-самцы (2-я опытная группа) (5) 5 50 Изучение действия стронция ранелата

Таблица 2.

Характеристика использованных методов исследования___

№ п/п Метод исследования Количество исследованных образцов

1. Общеклинические и физикальные исследования 2 раза в сутки

2. Лабораторные исследования До начала проведения опыта и на 1,3, 10, 30 и 60 сутки

3. Рентгенологические исследования После ранения, после ПХО и ВНО, 10-е, 30-е и 60-е сугки

4. Микробиологические исследования 10-е (15-е и 20-е) сутки

5. Гистологические исследования 12

6. СЭМ 250

7. Атомно-силовая микроскопия 55 До и после ранения, а

8. Рентген-структурный анализ 55 также на 14-е, 30-е и

9. Микротвердометрия 35 60-е сутки

10. Денситометрия 24

Наблюдение за экспериментальными животными осуществляли ежедневно 2 раза в сутки как с помощью визуальных и физикальных методов, так и использованием прикроватного монитора «Тритон-Б». Учитывались такие показатели как частота пульса, ректальная температура, выраженность пищевого рефлекса, масса тела, продолжительность и характер наружного кровотечения, размеры входного и выходного отверстий, площадь кожных ран, характер и количество раневого отделяемого, выраженность отека паравульнарных тканей, характер и сроки заживления ран, опора на поврежденную конечность, а также сроки и клинические проявления общих и местных осложнений.

Лабораторные исследования включали забор образцов крови для аппаратного определения показателей общего и биохимического анализов. Забор крови для лабораторных исследований производился до начала проведения опыта, а также на 1, 3, 10, 30 и 60 сутки наблюдения.

Всем животным производили рентгенографию голени в двух проекциях на рентгеновском диагностическом переносном аппарате 10L-6-01 Арман-6-02. Снимки выполняли сразу после ранения, непосредственно после первичной хирургической обработки и наложения аппарата внешней фиксации, а также на 10-е, 30-е и 60-е сутки.

С целью оценки минерализации костных регенератов в зоне огнестрельного перелома использовали метод количественной оценки минеральной плотности костной ткани (МПКТ, г/см2) - денситометрии с помощью аппарата двухэнергетической костной абсорбциометрии (ДРА) Norland XR-46. Измерения костных образцов производили до ранения, сразу после ранения, а также на 14-е, 30-е и 60-е сутки лечения.

Для определения раневой микрофлоры в динамике и коррекции антибактериальной терапии брались посевы из ран на 10-е сутки (по окончании антибактериальной терапии цефазолином), а также на 15-е и 20-е сутки при наличии патологического отделяемого из ран.

Морфогенез огнестрельных ранений изучен с применением гистологических методов исследования, а также методов сканирующей зондовой электронной и атомно-силовой микроскопии. Сканирующая зондовая электронная микроскопия выполнена на аппарате Philips SEM-515. Исследования с применением атомно-силовой микроскопии выполнены с помощью зондовой нанолаборатории INTEGRA. Количественный анализ фазового состава минерального компонента кости проведен методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре «Shimadzu XRD-6000». Проведение микротвердометрии костных образцов выполнялось с помощью промышленного микротвердомера ПМТ-2.

С целью получения экспериментального материала для вышеописанных исследований 1 этапа производили выпиливание костных образцов из скелетированных черепов и длинных трубчатых костей, как интактных, так и подвергшихся воздействию огнестрельных ранящих снарядов. Выпиливание производилось с захватом раневого канала, вблизи и на отдалении от него.

Второй этап эксперимента был выполнен на баранах-самцах породы «Советский меринос» массой 50-57 кг без признаков повреждений и заболеваний. Всего в эксперименте было задействовано 12 животных, при этом контрольная группа, созданная для забора как интактных образцов, так и образцов из области огнестрельного перелома в остром опыте, состояла из 2 животных.

Проведение эксперимента на животных осуществлялось в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных», введённых в действие Приказом Министра Здравоохранения СССР № 755 от 12.08.1977 г. Методы работы были одобрены Этическим комитетом ФГВОУ ВПО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» МО РФ.

Статистическая обработка полученных данных проводилась с помощью прикладных программ Microsoft Office Excel 2007 и программы Statistica 6.0.

Результаты исследования и их обсуждение

Изучение морфологии огнестрельных переломов методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ пластинчатых костей. СЭМ образцов теменной кости в норме показала, что основной структурно-функциональной единицей плоской кости является остеон. Как правило, в составе остеона коллагеновые волокна располагаются в виде концентрических слоев, расположенных под определенным углом друг к другу, что обеспечивает биомеханическую устойчивость системы.

По данным СЭМ костных образцов области огнестрельного перелома наиболее значимыми механизмами разрушения плоских костей являются разрывы компактного вещества и деформация смещения пластов костного

Рис. 1. Сканирующая электронная микроскопия теменной кости. А. Система гаверсовых каналов здоровой теменной кости.

Б. Трещины и деформации смещения в стенке гаверсова канала в глубине компактного вещества теменной кости в зоне огнестрельного перелома.

Морфологически разрывы компактного вещества представляют собой микротрещины линейной формы, которые формируются преимущественно вокруг спайновых линий остеонов. Непосредственно на поверхности раневых каналов, как входного, так и выходного пулевых отверстий, наблюдается «обтекание» микротрещинами смещения костного матрикса по ходу траектории движения пули, что вызывает фрагментацию его на островки.

Деформации смещения пластов занимают второе место по объему разрушения костного матрикса плоских костей черепа. При этом снос поверхностных слоев компактного вещества в области выходных отверстий более турбулирован, а форма дефектов имеет полиморфную структуру. В глубине компактного вещества плоских костей черепа на отдалении 3-5 см от раневых каналов деформации имеют вид разрывов стенок ячеистых структур.

Основной объём лакун, находящихся непосредственно на поверхности раневых каналов, имеет ровные, как бы оплавленные края и однородное дно с разрыхленным костным матриксом и одиночными микротрещинами. В особую форму можно выделить лакуны с асимметричными краями. Лакуны данного типа склонны к группированию и, сливаясь, могут углубляться в компактное вещество на 3-5 миллиметров, что было обнаружено на послойных сколах образцов.

Также было зафиксировано, что в глубине компактного вещества микрокаверны имеют аналогичную лакунам овальную форму и могут достигать в диаметре 300 мкм. В зоне воздействия ударных волн в плоских костях наблюдается лизис цемента и микропористая трансформация костного матрикса, что особенно выражено в области входных и выходных пулевых отверстии (рис. 2).

Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия теменной кости.

А. Минерализованные коллагеновые волокна в матриксе здоровой теменной

кости.

Б. Микропористая трансформация костного матрикса в области огнестрельного перелома.

Стоит отметить, что в целом для плоских костей черепа кавернообразование вдали от раневого канала не является характерным механизмом разрушения.

СЭМ трубчатых костей. СЭМ образцов костной ткани диафиза трубчатой кости показала, что структурно-функциональной единицей трубчатой кости на ультраструктурном уровне в норме является темплат, представляющий собой дискретную структуру, состоящую из определенным образом взаиморасположенных фибриллярного белка коллагена и кристаллов гидроксиапатита. Канальцы костного матрикса имеют мембраны, представленные муфтами уплотненного матрикса толщиной от 1 до 5-7 мкм, которые густо пронизаны множеством отверстий диаметром от 100 до 300-450 нм. Поверхность данных наноотверстий имеет сетчатую структуру и состоит из слабо минерализованных нитей коллагена. Основная часть данных нитей имеет строго упорядоченное расположение с формированием пространственных структур наподобие винтовой резьбы, имеющих шаг 15-20 нм. Описанные отверстия дают начало наноканалам, которые, прогрессивно уменьшаясь в диаметре, направляются вглубь компактного вещества кости.

СЭМ образцов области огнестрельных переломов диафизов трубчатых костей показала, что ведущую роль в разрушении костного матрикса здесь играет кавернообразование. Данные каверны располагаются как на поверхности раневого канала, так и в глубине компактного вещества и не имеют непосредственной анатомической связи с костными канальцами. На поверхности раневого канала каверны имеют вид лакун с разреженным дном и приподнятыми краями, тогда как на отдалении от раневого дефекта они имеют вид замкнутых полостей диаметром до 500 мкм, которые образуются путем роста и слияния расширенных пор. В костном матриксе происходит трансформация нанопор в мезо- и микропоры. В коллагеновых волокнах утрачивается свойственное им чередование «широких» и «узких» участков. К обнаженным волокнам агрегируются форменные элементы крови (рис. 3).

Рис. 3. СЭМ области огнестрельного перелома большеберцовой кости барана. А. Каверна с приподнятыми краями. Б. Микропористая трансформация костного матрикса.

Данные локального химического анализа показывают, что в периферических участках каверн происходит концентрирование вещества костного матрикса, что может быть обусловлено действием ударной волны. В целом, микротрещины, склонные к росту и слиянию, являются наиболее важным структурным элементом деформации костного матрикса в краях лакун костного матрикса трубчатых костей.

Исследования переломов методом атомно-силовой микроскопии. Эти исследования показали, что в норме в плоских костях толщина минерализованных коллагеновых волокон составляет около 100 нм и они имеет чёткую О-периодичность. На поверхности волокон выявляются кристаллы гидроксиапатита, имеющие размер 20-25 нм, покрытые гидратной оболочкой и располагающиеся вокруг главных участков коллагена в виде черепицеподобных структур.

При атомно-силовой микроскопии образцов костей, взятых в зоне огнестрельных переломов, регистрируется почти полное исчезновение черепицеподобной укладки кристаллов апатита. Коллагеновые волокна лишаются апатитовых темплат, происходит обнажение нитей тропоколлагена. Регистрируется расширение до 72-75 нм периодов «главных» и узких участков (в норме - 65-67 нм). При исследовании структуры коллагеновых волокон на протяжении обнаруживаются многочисленные очаги истончения и прореживания нанофибрилп, а также объёмные очаги дезинтеграции структур Д-периодичности. При этом в зоне огнестрельного перелома определяется «замусоривание» свободного пространства интерстиция костного матрикса обломками аморфизированной минеральной фазы и обрывками разрушенных коллагеновых волокон.

Рентген-структурный анализ. Анализ данных, полученных с помощью рентген-структурного анализа, показал, что для контрольных образцов костных тканей интактных костей, а также образцов взятых из областей отдаленных на 5-10 см от раневого канала, основной кристаллической фазой гидроксиапатита является его гексагональная модификация - Са5(Р04)з(0Н). Кроме того, в образцах присутствует моноклинная модификация апатита - Са10(РО4)б(ОН)2 в количестве 8 ± 2 объемных процента и около 20 объемных процентов аморфной фазы. В пробах, взятых непосредственно вблизи входного и выходного отверстий раневого канала, моноклинная модификация гидроксиапатита практически отсутствует и значительно возрастает доля аморфной фазы. По мере удаления от этой области возрастает количество моноклинной модификации и падает содержание аморфной фазы.

Микротвердометрия при переломах костей. По результатам микротвердометрии, твердость наружной кортикальной пластинки интактной теменной кости колеблется в пределах 61,1 кг/мм2, губчатого вещества - 51,8 кг/мм2 и внутренней кортикальной пластинки - 51,6 кг/мм2. Указанные показатели свидетельствуют о том, что наружная кортикальная пластинка теменных костей в сравнении с подлежащими анатомическими слоями является более хрупкой. При исследовании образцов теменной кости в области входного раневого канала обнаружено существенное снижение показателя

микротвердости наружной кортикальной пластинки до 47,7±0,9 кг/мм2 (в интактной кости - 61,1 ± 1,6 кг/мм2). При этом показатели микротвердости губчатого вещества и внутренней кортикальной пластинки сохраняются в пределах контрольных значений, составляя 51,0 кг/мм2 и 50,6 кг/мм2, соответственно.

По данным микротвердометрии зоны огнестрельного перелома диафизов длинных трубчатых костей регистрируется падение показателей во всех макроанатомических зонах. Так, в наружной кортикальной пластинке этот показатель снижается с 59,2 ±1,0 кг/мм2 (в контроле) до 51,5 ± 1,3 кг/мм2 (в зоне, прилегающей к раневому каналу); в губчатом веществе, соответственно: с 61,2 ±1,2 кг/мм2 до 50,7 ± 0,9 кг/мм2 и во внутренней кортикальной пластинке с 67,1 ± 1,0 кг/мм2 до 57,2 ± 0,8 кг/мм2. В целом снижение показателей колеблется в пределах 20% во всех анатомических отделах трубчатой кости.

На отдалении до 5 см от раневого канала также регистрируется тенденция снижения показателей твердости, но преимущественно в кортикальных пластинках. В этой зоне в наружной кортикальной пластинке показатель микротвердости снизился до 54,4 ± 1,8 кг/мм2 (в контроле составлял 59,2 ± 1,0 кг/мм2), в губчатом веществе удерживался в пределах контрольных значений -59,4 ± 1,8 кг/мм2 (в контроле составлял 61,2 ± 1,2 кг/мм2). Более заметно изменение показателя микротвердости во внутренней кортикальной пластинке,

где он снижается до 59,2 ± 1,3 кг/мм2 (в интактной кости - 67,1 ± 1,0 кг/мм2).

***

В целом анализ данных, полученных при выполнении данного этапа исследования огнестрельных переломов, показал, что костная ткань, в зависимости от её структурных и микромеханических свойств, при воздействии огнестрельного ранящего снаряда разрушается по-разному.

Так, плоские кости черепа разрушаются преимущественно по вязкому типу с образованием в большинстве случаев дырчатых переломов с ровными краями. Основными механизмами разрушения костного матрикса при этом являются деформация смещения пластов и его разрывы.

Разрушение трубчатых костей в области диафиза происходит преимущественно по вязко-хрупкому типу с образованием оскольчатых переломов. Здесь основными механизмами разрушения являются трещины, разрывы, лакунарно-кавернозные деформации, а также гомогенизация и уплотнение костного матрикса в области канальцевых мембран.

При этом был выявлен и общий механизм разрушения обоих структурно-анатомических типов кости - пористая трансформация костного матрикса с формированием нано-, мезо- и микропор. Под воздействием факторов огнестрельных ранящих снарядов, как в плоских, так и в трубчатых костях, происходит аморфизация гидроксиапатита, что проявляется, прежде всего, в уменьшении размеров его нанокристаллов. Наряду с этим проведение рентген-структурного анализа показало увеличение напряженности в кристаллической решетке апатита.

Немаловажным явилось выявление того факта, что все патологические деформации костного матрикса анатомически не были связаны с системой костных канальцев и преимущественно располагались непосредственно на территории костного матрикса. Этот топологический фактор указывает на то, что разрушение происходит не только за счёт прямого аэро- и гидродинамического удара. Вероятно, когда при огнестрельной травме под действием энергии бокового удара формируется временная пульсирующая полость, происходят фазовые переходы матриксной воды, изменяется степень её упорядоченности. При этом появляется так называемый расклинивающий эффект и утрачиваются свойства воды, необходимые для поддержания нормального течения всех процессов жизнедеятельности костной ткани.

В целом, предложенный системный методологический подход, опирающийся на активное использование современных исследовательских наногехнологий, позволил получить принципиально новые данные о тех тонких структурных механизмах разрушения костной ткани при действии факторов огнестрельного ранящего снаряда, которые не были изучены ранее.

Влияние ранелата стронция на структуру костного матрикса при консолидации огнестрельных переломов длинных трубчатых костей конечностей в эксперименте.

Результаты рентгенологического исследования. Данные рентгенологического исследования показали, что, в целом, консолидация огнестрельных переломов протекает однотипно в обеих опытных группах. После проведения первичной хирургической обработки и наложения аппарата Илизарова с последующим местным и общим лечением, первые признаки формирования костной мозоли появлялись к началу третьей недели после перелома, а образование плотной костной мозоли, достаточной для восстановления опорной функции конечности без дополнительной иммобилизации, наступало к концу 2-го месяца лечения, при условии отсутствия осложнений.

Однако имелись и некоторые отличия между качеством консолидации перелома у животных, получавших традиционное лечение, и животных, к рациону которых был добавлен стронция ранелат.

Так, сравнивая рентгеновские снимки животных получивших однотипные огнестрельные оскольчатые переломы средней трети диафизов большеберцовых костей задней правой конечности в динамике, можно сделать вывод, что уже на 15-е сутки начинает прослеживаться формирование соединительно-тканной мозоли, причём при применении стронция ранелата её плотность несколько выше. По данным денситометрии, на фоне снижения общих показателей минеральной плотности костной ткани (МПКТ) (до 5% по сравнению с интактными), что связано с развитием явлений посттравматического остеопороза, определяется более выраженная минерализация у животных 2-й опытной группы (до 2%).

При проведении исследования на 30-е сутки лечения наблюдается формирование периостальной и эндостальной костной мозоли, с более выраженной оссификацией у животных второй опытной группы. Данные денситометрии свидетельствуют об увеличении МПКТ во второй опытной группе до 3,5% по сравнению с первой, а также о прогрессировании явлений остеопороза - общие показатели МПКТ снизились в среднем на 12%.

На рентгенограммах сделанных на 60-е сутки (после снятия аппаратов внешней фиксации) видно, что у животных обеих опытных групп произошло формирование полноценной костной мозоли с консолидацией, достаточной для выполнения опорной функции конечности без дополнительной иммобилизации, однако у животных 2-й опытной группы качество сформировавшейся костной мозоли макроскопически и рентгенологически имеет более высокие показатели (рис. 4).

А Б

Рис. 4. Рентгенограммы на 60-е сутки после огнестрельного перелома, выполненные с одинаковой жесткостью. А - Голень животного со стандартной схемой лечения. Б - Голень животного с добавлением стронция ранелата.

Анализ данных денситометрии показал различие в МПКТ до 6% в пользу второй опытной группы. Также отмечен некоторый регресс остеопоротических явлений (разница в показателях МПКТ в опытных группах по сравнению с интактной костью составила не более 9%). Однако следует отметить, что прочность кости, помимо минеральной плотности, определяется ещё и её качеством в виде состояния микроархитектоники, обменных процессов и общей минерализации.

Таким образом, с помощью проведения рентгенологических исследований течения консолидации у экспериментальных животных можно сделать вывод, что применение стронция ранелата в лечении огнестрельных переломов оказывает благоприятное воздействие на остеорепаративные

процессы путём упрочнения костной мозоли, что подтверждается улучшением количественных показателей минеральной фазы костного матрикса (МПКТ).

Результаты гистологического исследования. По данным гистологического исследования в костных образцах, взятых непосредственно из области огнестрельного перелома уже через несколько часов с момента травмы, обнаруживалась массивная гибель костных клеток с пикнозом их ядер.

Через месяц в зоне регенерата огнестрельного перелома у животных обеих опытных групп имелся большой объём плотной рубцовой ткани без признаков воспаления, а также выявлялось увеличение объёма костных балок с изменением микроархитектоники в виде расширения каналов остеонов, вдоль стенок которых располагались активные остеокласты и макрофаги. При этом в регенерате преобладала грубоволокнистая соединительная ткань с разупорядоченным расположением коллагеновых волокон, которая окружала и костные осколки. Наблюдался фиброз и инфильтрация стенок кровеносных сосудов, наличие разрозненных островков ретикулофиброзной костной ткани, и наличие полостей, лишенных костных клеток, В костных осколках обнаруживалось образование многочисленных лакун, формируемых резорбцией матрикса остеокластами. Периостальный и интрамедиарный остеогенез определялся слабо. В проксимальном и дистальном отломке наблюдались выраженные остеопоротические явления.

Через 60 суток после огнестрельного перелома, в гистологических препаратах регенерата в обеих опытных группах наблюдалось увеличение сосудистого компонента, рост массивных участков грубоволокнистой костной ткани и упрочнение связей между костными отломками. Количество межклеточного вещества снижалось. Отмечалось наличие расширенных и деформированных каналов остеонов с врастанием в них новых кровеносных сосудов, а также очагов формирования новых остеонов, лишенных упорядоченного строения и ориентации. На фоне истончения кортикальной пластинки выявлялось утолщение надкостницы за счёт гиперплазии элементов волокнистого слоя.

Таким образом, проведение гистологического исследования образцов костной ткани области регенерата показало, что у животных обеих опытных групп гистологическая картина была в целом идентична и практически полностью соответствовала картине регенераторных процессов, описанной в ранее проведенных исследованиях по регенерации огнестрельных переломов длинных трубчатых костей (Гололобов В.Г., 1997; Данилов Р.К., 2008; Ли А.Д., Баширов P.C., 2002).

Результаты ультраструктурных методов исследования. Методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) были изучены образцы бедренной кости баранов, взятые через 2 месяца после огнестрельных переломов. Локальный химический состав был изучен с помощью EDS-приставки.

На электроннограммах СЭМ костных образцов, взятых на 60-е сутки от баранов, содержавшихся на стандартном рационе без добавления препарата

стронция, в кортикальных пластинках четко выявляются очаги разрыхления костной ткани и неполной организации остеонов. Обращает на себя внимание структура костных канальцев. В данные сроки нет полного восстановления структурных компонентов канальцев, в частности сохраняются разрывы мембран некоторых канальцев (рис. 5).

А Б

Рис. 5. СЭМ костного образца из зоны регенерата диафиза большеберцовой кости барана, содержавшегося на рационе без стронция ранелата через 2 месяца после огнестрельного перелома. А. Очаги разрыхления костного матрикса. Б. Деформация внутриканальцевых мембран.

По данным микротвердометрии прочность наружной кортикальной пластинки в сроки регенерации 2 месяца составляет 47 кг/мм2, что достоверно отстает от нормы (в контроле прочность наружной кортикальной пластинки диафиза интактной бедренной кости колеблется в пределах 58-62 кг/мм2).

По данным рентгеноструктурного анализа доля аморфной фазы в костном матриксе в зоне регенерации кости колеблется в пределах 15%, что остается значительно выше, чем в контроле.

Под влиянием стронция ранелата в регенерирующей кости увеличивается толщина костных балок и мембран канальцев, подвергаются гипертрофии складки наружной поверхности канальцев, утолщаются поперечные шторки и увеличивается высота гребней спайновых линий. Поверхность сколов костного матрикса имеет мелкозернистый вид, что свидетельствует о равномерности слияния частиц гидроксиапатита. В целом на всем протяжении компактное вещество кости в зоне регенерации представлено плотным матриксом, образованным минерализованными коллагеновыми волокнами. В режиме фазового контраста видно, что зернистая структура костного матрикса состоит из сферических гранул, плотно прилежащих друг к другу (рис. 6).

Это указывает на то, что стронций не оказывает гиперминерализующего воздействия на гидроксиапатит, и слияние их частиц происходит достаточно равномерно. По-видимому, эти обстоятельства создают предпосылки для

упрочнения кости, что подтверждается восстановлением показателей микротвердости до 55,2 ± 2,1 кг/мм2 (в контроле - 62,1 ± 5,6 кг/мм2).

А Б

Рис. 6. СЭМ костного образца из зоны регенерата диафиза бедренной кости барана, содержавшегося на рационе с добавлением стронция ранелата, через 2 месяца после огнестрельного перелома. А. Восстановление тонкой структуры костного матрикса. Б. Мелкозернистая структура костного матрикса.

Проведение эксперимента по выявлению влияния стронция ранелата на консолидацию огнестрельного перелома и динамику костного матрикса в процессе регенерации, позволило сделать вывод, что, под действием стронция ускоряются процессы восстановления тонкой структуры костного матрикса в ходе посттравматической регенерации кости. Структурной основой данного эффекта являются:

1. увеличение толщины костных балок,

2. увеличение высоты гребней спайновых линий,

3. сохранение структуры мембран костных канальцев в виде гипертрофии складок наружной поверхности канальцев, утолщения поперечных шторок.

В целом, использованный в работе системный методологический подход, опирающийся на современные исследовательские нанотехнологиии, позволил получить принципиально новые данные о тех тонких структурных механизмах разрушения костной ткани при действии факторов огнестрельного ранящего снаряда, которые не были изучены ранее. Выявлены специфические изменения тонкой структуры костного матрикса после огнестрельных переломов и во время их консолидации, охарактеризован возможный вклад ударно-волновой остеопорозоподобной трансформации костного матрикса в течение раневого процесса, а также патогенетически обоснован и апробирован в эксперименте на лабораторных животных возможный путь коррекции данного патологического состояния.

ВЫВОДЫ

1. С помощью применения методов исследовательских нанотехнологий (сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микротвердометрии) установлено, что общим структурным механизмом деструкции кости при огнестрельных переломах является широкопористая остеопорозоподобная трансформация костного матрикса с расширением его нанопор и аморфизацией гидроксиапатита.

2. Характер ультраструктурных изменений костной ткани при огнестрельных переломах определяется анатомическим типом строения кости. Плоские кости черепа разрушаются преимущественно по вязкому типу с образованием в большинстве случаев дырчатых переломов с ровными краями. Основными механизмами разрушения костного матрикса при этом являются смещение пластов и его разрывы. Разрушение длинных трубчатых костей в области диафиза происходит преимущественно по вязко-хрупкому типу, с образованием оскольчатых переломов. Здесь основными механизмами разрушения костного матрикса являются трещины, разрывы, лакунарно-кавернозные деформации, а также гомогенизация и уплотнение костного матрикса в области канальцевых мембран.

3. Учитывая обнаруженную широкопористую остеопорозоподобную трансформацию костей после огнестрельных переломов, с целью коррекции физико-химических свойств минеральной фазы костного матрикса при огнестрельных переломах длинных костей показано применение антиостеопоротических препаратов. Наиболее подходящим способом направленного упрочнения кристаллической решетки гидроксиапатита является внедрение в формирующиеся кристаллы атомов стронция путем применения стронция ранелата.

4. В эксперименте с нанесением огнестрельных переломов экспериментальным животным (баранам) при сравнительном изучении ультраструктурных изменений костного вещества установлено, что под действием стронция ранелата увеличивается толщина костных балок и высота гребней спайновых линий, гипертрофируются складки наружной поверхности, упрочняется кристаллическая решетка гидроксиапатита.

5. Стронция ранелат, оказывая стабилизирующее воздействие на кристаллы гидроксиапатита в регенерате, препятствует их аморфизации и способствует упрочнению костного матрикса костной мозоли, что улучшает качество консолидации огнестрельных переломов длинных костей конечностей (показатели минеральной плотности костной ткани по данным денситометрии увеличились на 6%).

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Применение комплекса современных исследовательских нанотехнологий, с использованием методов сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии в сочетании с рентгеноструктурным анализом, позволяет наглядно выявить ультраструктурные изменения костного матрикса при действии на кость факторов огнестрельного ранящего снаряда.

2. Использованная в исследовании экспериментальная модель огнестрельного перелома у биообъекта (барана), характеризуется технической доступностью нанесения ранения, простотой его воспроизведения в серии опытов, стабильностью основных параметров, и может быть рекомендована в качестве стандартной модели огнестрельного перелома длинных трубчатых костей конечностей.

3. С целью улучшения качества консолидации перелома путем уменьшения степени аморфизации гидроксиапатита и упрочнения костного матрикса в зоне регенерата, рекомендуется применение стронция ранелата в лечении огнестрельных переломов длинных трубчатых костей конечностей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гайдаш A.A. Наноструктуры костного матрикса при воздействии огнестрельных ранящих снарядов по данным атомно-силовой микроскопии и рентгеноструктурного анализа / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, Е.П. Найден, J1.H. Синица, В.В. Колкутин, A.B. Волков, A.B. Денисов, В.А. Новиков, O.A. Бабенко // Вестник Российской Военно-медицинской академии. - 2008. - N.4 (24).-С. 10-11.

2. Гайдаш A.A. Структура и локальный химический состав костного матрикса при воздействии огнестрельных ранящих снарядов по данным сканирующей зондовой электронной микроскопии / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, В.В. Колкутин, A.B. Волков, A.B. Денисов, И.Э. Горелик, И.П. Мишин, O.A. Бабенко, О.В. Зимина // Вестник Российской Военно-медицинской академии. - 2008. - N.4 (24). - С. 11-12.

3. Гайдаш A.A. Исследование пористой структуры и особенностей химических связей минеральной и органической фаз костного матрикса при огнестрельных переломах методом ИК-слектроскопии / A.A. Гайдаш, Л.Н. Синица, P.C. Баширов, В.В. Колкутин, A.B. Волков, В.И. Белый, A.B. Денисов, В.А. Тарбоков, Н.И. Радищевская, O.A. Бабенко // Вестник Российской Военно-медицинской академии. - 2008. -N.4 (24). - С. 12-13.

4. Гайдаш A.A. Морфологические особенности разрушения анатомически различных типов кости при воздействии огнестрельных ранящих снарядов по данным сканирующей электронной микроскопии / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, В.В. Колкутин, A.B. Волков, В.И. Белый, A.B. Денисов, И.Э.

Горелик, И.П. Мишин, O.A. Бабенко, О.В. Зимина // Медицина в Кузбассе. -2008,-№7.-С. 17-19.

5. Гайдаш A.A. Коллаген-апатитовый интерфейс костных тканей при воздействии огнестрельных ранящих снарядов / A.A. Гайдаш, Е.П. Найден, Л.Н. Синица, P.C. Баширов, В.И. Белый, В.В. Колкутин, A.B. Волков, A.B. Денисов, В.А. Новиков, O.A. Бабенко, Н.И. Радищевская, В.А. Тарбоков // Медицина в Кузбассе. - 2008. - № 7. - С. 19-20.

6. Гайдаш A.A. Наноканальцы, пористость и структурные свойства воды и минеральной фазы костного матрикса при огнестрельных переломах /

A.A. Гайдаш, Л.Н. Синица, P.C. Баширов, В.И. Белый, O.A. Бабенко, В.В. Колкутин, A.B. Волков, A.B. Денисов, Н.И. Радищевская, В.А/ Тарбоков // Медицина в Кузбассе. - 2008. - № 7. - С. 21-22.

7. Баширов P.C., Гайдаш A.A. Нанотехнологии в решении актуальных проблем военно-полевой хирургии / А.А.Гайдаш, А.В.Денисов // Морфогенез огнестрельных повреждений костной ткани - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С. 22-35.

8. Гайдаш А.А Нанообъекты костного матрикса при огнестрельных переломах и информативность некоторых методологических подходов / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, A.B. Денисов, М.М. Райн, Е.П. Найден, JI.H. Синица,

B.В. Колкутин, A.B. Волков, O.A. Бабенко, В.А. Новиков // Мат. VI Всеросс. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». -Томск, 2008. - С. 97-99.

9. Гайдаш A.A. К проблеме структурных механизмов разрушения кости при действии огнестрельных ранящих снарядов / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, В.В. Колкутин, A.B. Денисов, М.М. Райн, O.A. Бабенко, A.B. Волков, В.И. Белый, И.Э. Горелик, И.П. Мишин, О.В. Зимина // Мат. VI Всеросс. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». - Томск, 2008.-С. 99-101.

10. Гайдаш A.A. Особенности физических свойств воды и структуры химических связей в минеральном матриксе костной ткани при огнестрельных переломах / A.A. Гайдаш, Л.Н. Синица, P.C. Баширов, A.B. Денисов, М.М. Райн, В.В. Колкутин, A.B. Волков, В.И. Белый, В.А. Тарбоков, Н.И. Радищевская, O.A. Бабенко // Мат. VI Всеросс. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». - Томск, 2008. - С. 101-103.

11. Денисов A.B. Структурные механизмы разрушения плоских и трубчатых костей при действии огнестрельных ранящих снарядов по данным сканирующей электронной микроскопии / A.B. Денисов, O.A. Бабенко // Вестник Российского государственного медицинского университета. - 2009. - № 3. - С. 13.

12. Денисов A.B. Структурные особенности разрушения различных анатомических типов кости при действии огнестрельных ранящих снарядов / A.B. Денисов, A.A. Гайдаш, P.C. Баширов // Мат. итог, науч.-практич.конф. ТВМедИ - Томск, 2009 - С. 41-42.

13. Гайдаш A.A. Структурные механизмы разрушения плоских костей черепа при огнестрельных переломах / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, A.B.

Денисов, O.A. Бабенко, В.А. Козяев, C.B. Коробов // Мат. съезда «III съезд хирургов Сибири и Дальнего востока». - Томск, 2009. - С. 244.

14. Гайдаш A.A. Тонкая структура кости и разрушение костной ткани при импульсном нагружении (к проблеме ударно-волнового остеопороза) / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, C.B. Полковов, A.B. Денисов, O.A. Бабенко // Мат. Всеросс. науч. конф. «Современная баллистика и смежные вопросы механики». -Томск, 2010. - С.11-14.

15. Гайдаш A.A. Новые представления о морфогенезе огнестрельных переломов / A.A. Гайдаш, И.М. Самохвалов, М.В. Тюрин, P.C. Баширов, Л.Н. Синица, A.B. Денисов, O.A. Бабенко // Мат. науч. конф. «Современные технологии в травматологии и ортопедии». - СПб., 2010. - С. 101-102.

16. Гайдаш A.A. Новые данные о морфогенезе огнестрельного повреждения костей / A.A. Гайдаш, P.C. Баширов, В.В. Колкутин, H.A. Толмачёв, М.В. Тюрин, А.П. Божченко, A.B. Денисов // Судебно-медицинская экспертиза. - 2010. - № 4(53). - С. 4-7.

17. Гайдаш A.A. Новый взгляд на морфогенез огнестрельных переломов / A.A. Гайдаш, A.B. Денисов, М.В. Тюрин, И.М. Самохвалов II Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях. - 2010. - № 4, вып. 1. - С. 81-87.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АСМ - атомно-силовая микроскопия ГАП - гидроксиапатит ДРА - двухэнергетическая абсорбциометрия КФ - кальциофосфаты

МПКТ- минеральная плотность костной ткани Г1ХО - первичная хирургическая обработка ВНО - внеочаговый остеосинтез PC - ранящий снаряд

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

Подпитано в печать 12.11.10

Обьем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Формат 60x84/16 Заказ №825

Типография BMA, 194044, СПб., ул. Академика Лебедева, 6.

Проблема лечения огнестрельных ранений и их последствий была и остаётся одной из наиболее сложных и актуальных задач военно-полевой хирургии. Со времён изобретения пороха огнестрельное оружие постоянно совершенствуется, создаются новые виды ранящих снарядов, обладающие всё более значительной разрушительной силой (Косачев И.Д., 2001; Озерецковский Л.Б. с соавт., 2006; Белевитин А.Б. с соавт., 2010).

Одним из видов боевой травмы являются огнестрельные ранения конечностей, доля которых в современных военных конфликтах составляет 62 — 72% санитарных потерь хирургического профиля. Среди них особое место занимают огнестрельные переломы, лечение которых, несмотря на достижения военно-полевой хирургии, является серьезной проблемой (Беркутов А.Н., 1974; Дедушкин B.C., 1985, Самохвалов И.М. с соавт., 2006).

По характеру 76,4% огнестрельных переломов, полученных при ранениях современными видами оружия, преимущественно носят оскольчатый (35,1%) или раздробленный (41,3%) характер. Первичные дефекты костей выявляются у 79,3% раненых, из них у 48,7% выявлены дефекты на протяжении более 3 см диафиза, а у 30,6% более 5 см (Шаповалов В:М., 1999).

В общей структуре ранений конечностей преобладают лёгкие ранения и ранения средней степени тяжести (40,5% и 33,3% соответственно). Однако среди пострадавших с огнестрельными переломами лёгкие ранения и ранения средней тяжести составляют менее 10%, преобладают тяжёлые (85,4%) и крайне тяжёлые (5,5%) ранения (Ерюхин И.А., 1992).

К сожалению, и в настоящее время лечение огнестрельных переломов костей конечностей нередко сопровождается неудовлетворительными результатами: укорочение конечностей, ложные суставы, остеомиелит с нарушением функции конечностей в 8 — 19,6% и ампутации — в 11,8% случаев (Шаповалов В.М., Ерохов А.Н., 2006; Овденко А.Г., 2010).

Все это диктует необходимость проведения исследований, направленных на улучшение результатов лечения.

Актуальность темы.

Фундаментальные исследования, проведенные за последние годы в области раневой баллистики и регенерации костной ткани, показали специфичность высокоэнергетического воздействия ранящего снаряда на костную ткань с её разрушением, как на микро-, так и на ультраструктурном уровне, а также возможность воздействия на скорость и качество консолидации с помощью применения принципиально новых материалов и лекарственных препаратов — коллаген-апатитовых интерфейсов (Кавалерский Г.М. с соавт., 2010), имплантов с наноструктурными керамическими покрытиями (Карлов A.B., Шахов В.П., 2001; Ланцов Ю.А. с соавт., 2010), антиостеопоротических препаратов — соединений стронция (Гайдаш A.A. с соавт., 2009). Однако характер ультраструктурных изменений костной ткани при огнестрельных переломах остается не до конца изученным, как и возможности воздействия на консолидацию таких переломов антиостеопоротическими препаратами. Таким образом, тема исследования является актуальной и клинически значимой.

Цель исследования.

На основе анализа данных, полученных с помощью современных исследовательских нанотехнологий, изучить в эксперименте возможность применения стронция ранелата для коррекции ультраструктурных изменений костного матрикса в зоне «молекулярного сотрясения» при огнестрельных переломах длинных трубчатых костей конечностей.

Задачи исследования.

1. Выявить основные ультраструктурные изменения костной ткани при воздействии высокоскоростных огнестрельных ранящих снарядов.

2. Обосновать применение препарата, корригирующего выявленные изменения тонкой структуры костного матрикса при огнестрельных переломах.

3. Изучить действие стронция ранелата на ультраструктурные свойства костного матрикса при регенерации огнестрельных диафизарных переломов длинных трубчатых костей конечностей в эксперименте на животных.

Научная новизна исследования.

Впервые с помощью ультраструктурных методов исследования выявлены изменения тонкой структуры костного матрикса после огнестрельных переломов и во время их консолидации.

Охарактеризован возможный вклад ударно-волновой остеопорозоподобной трансформации костного матрикса в течение раневого процесса при огнестрельной травме.

Патогенетически обоснованы возможные пути коррекции остеопорозоподобных изменений костного матрикса при огнестрельных переломах.

Практическая значимость.

Разработана модель огнестрельного перелома длинных трубчатых костей конечностей на биообъектах (баранах), которая может быть рекомендована к использованию при проведении экспериментальных исследований по разработке новых методов диагностики и лечения данной боевой хирургической патологии.

Использованный в исследовании комплекс современных исследовательских нанотехнологий позволяет выявить ультраструктурные изменения костного матрикса после огнестрельных переломов и в процессе их консолидации, что было недоступно ранее при использовании традиционных методов исследования.

В эксперименте доказана высокая эффективность препарата стронция в уменьшении аморфизации гидроксиапатита и упрочнении костного матрикса в лечении пострадавших с огнестрельными переломами, что может улучшить качество консолидации у данной группы пострадавших.

Реализация результатов исследования.

Предложенный методологический комплекс используется для выполнения задач, поставленных в НИР ВМедА № 03.05.01.1011/0267, шифр «Ультраструктура», а также применяется в работе, проводимой в рамках программы «Изучение наноструктуры и физико-химических механизмов повреждения и репарации органов и тканей при действии поражающих факторов современных видов оружия с целью разработки методов ранней диагностики и лечения огнестрельных ран», утверждённой Начальником ГВМУ - НМС ВС РФ 3 февраля 2009 г.

Результаты исследования применяются в исследованиях НИЛ военной хирургии при кафедре военно-полевой хирургии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова при проведении экспериментов на животных по моделированию огнестрельных ранений, их диагностике и лечению. Кроме того, полученные данные используются в учебном процессе на кафедре военно-полевой хирургии при изложении материалов по огнестрельной травме.

Апробация.

Материалы научного исследования доложены на VI Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2008); итоговой научно-практической конференции ТВМедИ (Томск, 2009); Всероссийской научной конференции «Современные технологии в травматологии и ортопедии» (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации.

Основной материал диссертационного, исследования опубликован в 17-ти работах в виде научных статей (в том числе в 3-х журналах, рецензируемых ВАК), тезисов докладов и главы монографии.

Структура и объём диссертационного исследования.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, выводов и практических рекомендаций. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц и 60 рисунков. Список использованных литературных источников включает 220 наименований (154 отечественных и 66 иностранных).

ВЫВОДЫ

1. С помощью применения методов исследовательских нанотехнологий (сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микротвердометрии) установлено, что общим структурным механизмом деструкции кости при огнестрельных переломах является широкопористая остеопорозоподобная трансформация костного матрикса с расширением его нанопор и аморфизацией гидроксиапатита.

2. Характер ультраструктурных изменений костной ткани при огнестрельных переломах определяется анатомическим типом строения кости. Плоские кости черепа разрушаются преимущественно по вязкому типу с образованием в большинстве случаев дырчатых переломов с ровными краями. Основными механизмами разрушения костного матрикса при этом являются смещение пластов и его разрывы. Разрушение длинных трубчатых костей в области диафиза происходит преимущественно по вязко-хрупкому типу, с образованием оскольчатых переломов. Здесь основными механизмами разрушения костного матрикса являются трещины, разрывы, лакунарно-кавернозные деформации, а также гомогенизация и уплотнение костного матрикса в области канальцевых мембран.

3. Учитывая обнаруженную широкопористую остеопорозоподобную трансформацию костей после огнестрельных переломов, с целью коррекции физико-химических свойств минеральной фазы костного матрикса при огнестрельных переломах длинных костей показано применение антиостеопоротических препаратов. Наиболее подходящим способом направленного упрочнения кристаллической решетки гидроксиапатита является внедрение в формирующиеся кристаллы атомов стронция путем применения стронция ранелата.

4. В эксперименте с нанесением огнестрельных переломов экспериментальным животным (баранам) при сравнительном изучении ультраструктурных изменений костного вещества установлено, что под действием стронция ранелата увеличивается толщина костных балок и высота гребней спайновых линий, гипертрофируются складки наружной поверхности, упрочняется кристаллическая решетка гидроксиапатита.

5. Стронция ранелат, оказывая стабилизирующее воздействие на кристаллы гидроксиапатита в регенерате, препятствует их аморфизации и способствует упрочнению костного матрикса костной мозоли, что улучшает качество консолидации огнестрельных переломов длинных костей конечностей (показатели минеральной плотности костной ткани по данным денситометрии увеличились на 6%).

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Применение комплекса современных исследовательских нанотехнологий, с использованием методов сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии в сочетании с рентгеноструктурным анализом, позволяет наглядно выявить ультраструктурные изменения костного матрикса при действии на кость факторов огнестрельного ранящего снаряда.

2. Использованная в исследовании экспериментальная модель огнестрельного перелома у биообъекта (барана), характеризуется технической доступностью нанесения ранения, простотой его воспроизведения в серии опытов, стабильностью основных параметров, и может быть рекомендована в качестве стандартной модели огнестрельного перелома длинных трубчатых костей конечностей.

3. С целью улучшения качества консолидации перелома путем уменьшения степени аморфизации гидроксиапатита и упрочнения костного матрикса в зоне регенерата, рекомендуется применение стронция ранелата в лечении огнестрельных переломов длинных трубчатых костей конечностей.