Остеоинтеграция инновационных кастомизированных имплантатов в трубчатой кости (экспериментальное исследование)

Внутрикостные винтовые имплантаты активно используются в стоматологии и ортопедии. Оптимальным условием для остеоинтеграции является механическая стабильность имплантата в кости [1, 2]. Однако этот процесс зависит от многих факторов, влияющих на взаимодействие имплантата с костью и параосcальными тканями. В частности, такое заболевание, как остеопороз, или недостаточное диетическое потребление белка могут не только отрицательно повлиять на качество костной ткани компактной пластинки, но и нарушить процесс остеоинтеграции имплантатов [3]. И наоборот, системное лечение остеопороза может улучшать остеоинтеграцию, положительно влияя на архитектонику и состав костной ткани, формирующейся вокруг имплантатов, что способствует большей механической прочности формирующегося костно-имплантационного блока [4–6].

Механическая нагрузка кости in vivo положительно влияет на костную массу, способствует увеличению ее плотности и прочности, что подтверждают данные изучения особенностей микроархитектуры пластинчатой и трабекулярной кости [4, 5, 7].

Большое значение для процесса остеоинтеграции имеют показатели механического воздействия, оказываемого самим имплантатом (или дополнительного), особенности его геометрии, химического состава, покрывающего поверхность, рельефности, топологии и т.д. [5]. Способ формирования рельефа поверхности также играет большую роль. В настоящее время предпочтение отдается пескоструйной обработке и вытравливанию текстуры поверхности, поскольку такая обработка по сравнению с другими вариантами обеспечивает более плотный контакт с имплантатом [8, 9]. Влияние способа загрузки имплантата на качество остеоинтеграции все еще находится в стадии обсуждения.

Есть единичные публикации о необходимости разработок каналов в имплантате для введения лекарственных препаратов, обладающих как антибактериальными, так и остеоинтегрирующими свойствами [10]. Данная технология была впервые использована нами в имплантатах для остеоинтеграции. Необходимо отметить, что производство таких каналов, особенно при небольших размерах имплантатов, невозможно без аддитивных технологий.

Цель исследования — оценить возможности остео­интеграции инновационных имплантатов из нержавеющей стали, изготовленных посредством аддитивных технологий, в условиях протезирования большеберцовой кости кроликов.

Материалы и методы. Нами был разработан имплантат культи трубчатой кости (патент РФ №152558), который изготавливался методом аддитивной технологии из порошка нержавеющей стали EOS PH1 (GLW Technology, Канада) на установке EOSINT280 (EOS GmbH, Германия). Химический состав материала: железо Fe (в норме); хром Cr (18%); никель Ni (4%); медь Cu (4%); марганец Mn (1%); кремний Si (0,75%); молибден Mo (0,5%); ниобий Nb (0,16%); углерод C (0,07%) (рис. 1).

---

Рис. 1. Суммарный спектр элементов, полученный методом рентгеновского электронно-зондового микроанализа имплантируемого образца

---

Механические свойства определяли согласно ISO 6892:1998 (E). Детали для тестовых исследований имели диаметр 5 мм, длину 25 мм и изготавливались при толщине слоя 20 мкм. Предельная прочность на разрыв в вертикальном направлении после изготовления и термической обработки составляла 1450±100 МПа. Термическую обработку выполняли при температуре 482°С с выдержкой 4 ч. Относительное удлинение при разрыве составило 12±2%. Измерение твердости по Роквеллу (HRC) проводили согласно DIN EN ISO 6508-1. Твердость образцов составляла 41 HRC. Теплопроводность образцов после изготовления и термической обработки составляла: в горизонтальной плоскости 15,7±0,8 Вт/(м·°С), в вертикальной — 15,8±0,8 Вт/(м·°С). Удельная теплоемкость — 470±20 Дж/(кг·°С). Внутри имплантата расположен канал с боковыми отверстиями для введения лекарственных средств (рис. 2, а).

---

Рис. 2. Имплантация культи трубчатой кости на этапах эксперимента: а — общий вид имплантата; б — пластиковый абатмент; в — рентгенограммы прооперированной конечности после оперативного вмешательства; г — рентгенограммы голени кроликов через 12 нед после операции

---

Экспериментальные исследования были выполнены на 6 кроликах породы советская шиншилла массой 3,12±0,35 кг, в возрасте 6–8 мес. Всем животным под общим наркозом осуществляли ампутацию голени на границе верхней трети. Мягкие ткани послойно ушивали внутренними швами. Далее рассверливали костно-мозговой канал до 4,5 мм, в культю большеберцовой кости вкручивали имплантат диаметром 5 мм и прикрепляли абатмент (рис. 2, б). Далее фиксировали сегмент аппаратом Илизарова, состоящим из двух опор. Для этого проводили перекрест спиц через проксимальный метаэпифиз большеберцовой кости и дистальную часть абатмента, дистальные спицы были с упорной площадкой (рис. 2, в). Аппарат Илизарова демонтировали через 6 нед.

Клиническое наблюдение за животными осуществляли на протяжении всего периода опыта. При этом учитывали общее состояние, определяли функцию конечности, состояние мягких тканей в области спиц. Контрольную рентгенографию выполняли на переносном рентгеновском аппарате TOSHIBA Rotanode E7239 (Toshiba, Япония) до операции и на 1, 21, 42, 84-е сутки после операции.

На проведение экспериментальных исследований было получено разрешение комитета по этике при Российском научном центре «Восстановительная травматология и ортопедия» им. академика Г.А. Или­зарова». Содержание животных, оперативные вмешательства осуществляли согласно Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (принятой в Страсбурге 18.03.1986 г. и подтвержденной в Страсбурге 15.06.2006 г.). Эвтаназию всех кроликов выполняли через 12 нед после операции путем передозировки барбитуратов.

Фиксацию большеберцовой кости с интегрированным в нее имплантатом осуществляли в параформ-глутаральдегидном фиксаторе (2% параформ, 2% глутаральдегид на фосфатном буфере, рН=7,4) при 4°С. Через 7 сут кость распиливали в продольном направлении так, чтобы в одном фрагменте остался интегрированный имплантат с обнаженной на распиле поверхностью. Распилы костей с имплантатом обезвоживали в этаноле возрастающей концентрации (от 70 до 100%), заливали в камфен и высушивали на воздухе. Полученные препараты монтировали на электропроводящую основу и напыляли в ионном вакуумном напылителе IB-6 (Eiko, Япония) ионами платины и палладия. Препараты исследовали в сканирующем электронном микроскопе JSM-840 (Jeol, Япония), получая изображение в режиме вторичных электронов. Концентрацию кальция и фосфора в тканевом субстрате, адгезированном на поверхности имплантационных металлоконструкций, определяли при помощи рентгеновского электронно-зондового микроанализатора INKA Energy 200 (Oxford Instrumets Analytica, Великобритания), смонтированного на сканирующем электронном микроскопе JSM-840. Результаты исследований получали в виде элементных карт (Start Map) и данных количественного элементного анализа в весовых процентах.

Распилы большеберцовой кости без имплантата декальцинировали в смеси Рихмана–Гельфанда–Хилла, обезвоживали в спиртах возрастающей концентрации и заливали в парафин. Продольные гистологические срезы окрашивали гематоксилином и эозином. Гистотопографические срезы толщиной 7–8 мкм получали на санном микротоме (Reichard, Германия), окрашивали гематоксилином и эозином.

Микроскопическое светооптическое исследование гистологических препаратов большеберцовой кости выполняли с применением стереомикроскопа AxioScope A1 и цифровой камеры AxioCam IC 5 в комплекте с программным обеспечением Zen blue (Carl Zeiss Micro Imaging GmbH, Германия).

Результаты. В течение всего эксперимента клиническое состояние кроликов было удовлетворительным. В первые трое суток выявляли отек в области культи у всех животных. У трех кроликов наблюдали гнойное воспаление мягких тканей вокруг имплантата в течение 10–14 дней. Гнойное воспаление купировали антибиотикотерапией в течение 7–10 дней (Цефазолин 0,05 г/кг). Опорная функция конечности, как правило, восстанавливалась на 4–5-е сутки после операции и присутствовала на всем протяжении эксперимента. Данная технология впервые позволила в раннем послеоперационном периоде восстановить функцию ампутированной конечности.

На рентгенограммах у трех кроликов к 6-й неделе эксперимента вокруг имплантата определяли формирование канала, резорбцию костной ткани, а к 12-й неделе — выраженный остеопороз кортикальной пластинки. В одном случае произошел перелом большеберцовой кости на уровне ее верхней трети.

У трех других кроликов через 12 нед определяли признаки остеоинтеграции на границе имплантата и костной ткани. Это выражалось в сохранении плотности и толщины кортикальной пластинки. Признаков резорбции кости вокруг имплантата не наблюдали. В проекции костномозгового канала в участках между имплантатом и кортикальной пластинкой визуализировали тени повышенной рентгеноконтрастности, что свидетельствовало об эндостальном остеогенезе (рис. 2, г).

У этих кроликов исследования с применением гистологических методов показали, что к этому сроку — через 12 нед имплантации металлоконструкции в костномозговой канал большеберцовой кости — признаки остеопороза компактной пластинки отсутствовали (рис. 3, в). Костная ткань компактной пластинки плотно прилегала к имплантату в дистальной части большеберцовой кости и на всем протяжении имела типичное строение (см. рис. 3, а, в). В остальных участках между имплантатом и компактной пластинкой имелся зазор, повторяющий конусообразную форму имплантируемой конструкции, в котором было отмечено формирование трабекулярной кости среднеячеистой структуры, соединяющей внутреннюю поверхность компактной пластинки и поверхность внедренного в кость имплантата (рис. 3, е). Межтрабекулярные промежутки были заполнены преимущественно красным костным мозгом.

---

Рис. 3. Формирование блока «кость–имплантат» через 12 нед эксперимента: а — распил большеберцовой кости кролика с внедренным имплантатом; б — поверхность имплантата с адгезированным тканевым субстратом; сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), ×22; в — компактная пластинка; окраска гематоксилином и эозином; ×63; г — электронное изображение контакта компактной пластинки и имплантата; СЭМ, ×22; карта распределения Са (красный) и Р (зеленый) в блоке «кость–имплантат»; д — трабекулярная кость в зазоре между костью и имплантатом; окраска гематоксилином и эозином; ×400; е — костная трабекула, гемопоэтический костный мозг в области зазора между компактной пластинкой и винтовой конструкцией; СЭМ, ×150; ж, з — адгезия костного матрикса на поверхности имплантата: ж — СЭМ, ×350; з — карта рентгеновского электронно-зондового микроанализа распределения Са (красный) и Р (зеленый) на поверхности имплантата (имплантационный материал Fe — cиний); ×350

---

На резьбовых ребрах и в зонах резьбовых углублений имплантата обнаруживали гомогенно распределенный тканевой субстрат (см. рис. 3, а, б).

При исследовании адгезированного на поверхности имплантируемого изделия тканевого субстрата методом рентгеновского электронно-зондового микроанализа выявлено наличие в нем Са и Р (рис. 3, г, д, ж, з), что свидетельствовало о формировании в исследуемом образце новообразованной костной ткани.

При выполнении количественных исследований обнаружено, что содержание Са в новообразованной на поверхности имплантата костной ткани составило 7–9% при соотношении Са/Р от 0,3 до 1, что по степени минерализации соответствовало ретикулофиброзной костной ткани.

О данном факте свидетельствовали и результаты сканирующей электронной микроскопии. Как в резьбовых углублениях, так и на ребрах винтовой внутрикостной конструкции обнаруживали костные трабекулы, интимно связанные волокнистым компонентом с поверхностью имплантата (см. рис. 3, д). В тканевом субстрате присутствовали остеогенные клетки и клетки гемопоэтического костного мозга, что также подтверждало наличие новообразованной костной ткани на поверхности металлоконструкции.

Аналогичные результаты были характерны для всех участков имплантируемой конструкции (рис. 4).

---

Рис. 4. Адгезия новообразованной ретикулофиброзной костной ткани на поверхности имплантируемой внутрикостной металлоконструкции: а–в — участки поверхности имплантата в нижней, верхней и средней его трети; СЭМ, ×22; г–е — карты распределения Са на поверхности имплантата соответственно в нижней, верхней и средней третях; рентгеновский электронно-зондовый микроанализ, ×22

---

Обсуждение. Ранее проведенные исследования в эксперименте доказали, что при имплантации винтовых конструкций одной из главных составляющих является обеспечение формирования полноценного комплекса «имплантат–кость», обладающего достаточной для выдерживания механических нагрузок прочностью [1]. Наше исследование показало, что применение аддитивных технологий позволяет задавать необходимые параметры (структурированность поверхности, индивидуальность в отношении формы и размеров и т.п.) имплантата для формирования прочного блока «имплантат–кость». Кроме того, основная концепция традиционной технологии внутрикостного протезирования заключается в двухэтапности проводимой операции: на первом этапе имплантат устанавливается в интрамедуллярный канал и далее, спустя 3–6 мес (когда сформируется прочный костно-имплантационный блок), через кожный разрез к имплантату присоединяется переходник для крепления конструкции протеза. Вся продолжительность лечения (включая и период реабилитации) занимает 6–18 мес [2, 11]. При использовании разработанной нами комбинированной технологии протезирования с фиксацией имплантата аппаратом Илизарова обеспечиваются стабильность на стыке кость–имплантат и ранняя нагрузка на конечность до наступления завершенной остеоинтеграции. Это позволяет в более короткие сроки восстановить функцию конечности.

Заключение. Предварительные результаты использования винтовых имплантатов, полученных с применением аддитивных технологий из сплава с основой из нержавеющей стали показали возможность их остеоинтеграции. Новообразованная на поверхности имплантируемой конструкции костная ткань уже через 12 нед эксперимента характеризуется достаточным для функциональной нагрузки содержанием минерального компонента. Это свидетельствует о перспективности применения аддитивных технологий в области создания имплантатов трубчатых костей из нержавеющей стали.

Финансирование исследования. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда на выполнение проекта №16-15-00176 «Установление закономерностей остеоинтеграции медицинских имплантатов на основе аддитивного производства с биоактивным покрытием».

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов.