Биомеханика границы раздела «костная ткань - имплантат с наноструктурными керамическими покрытиями»

Продление сроков функционирования эндопротезов в организме человека во многом зависит от стабильной фиксации в костной ткани их компонентов. Одним из путей решения этой проблемы является улучшение интегративных свойств на границе раздела костной ткани и имплантатов. Свойства трехмерного капиллярно-пористого покрытия (ТКП), разработанного в И МЕТ им. А. А. Байкова РАН, были оптимизированы путем нанесения на его поверхность различных видов биокерамических покрытий. Предполагается, что формирующаяся при взаимодействии с костной тканью самоорганизующаяся граница раздела будет обладать качественно новыми физико-механическими характеристиками, благоприятствующими стабильной фиксации имплантатов.

Цель исследования.

Изучение физико-механических характеристик интеграции имплантатов с костной тканью в зависимости от вида используемого покрытия и обоснование применения в эндопротезировании титановых имплантатов с ТКП и биоактивным керамическим покрытием.

Методика исследования.

Исследование проводили на 12 беспородных половозрелых собаках (24 коленных сустава). Методика эксперимента включала формирование каналов в дистальных эпифизах бедренных костей животных, в которые путем плотной посадки помещали соответствующие им цилиндрические имплантаты длиной до 7 мм, диаметром 3,3 мм с ТКП-покрытием, а также с ТКП-покрытием и нанесенным на него фосфатом кальция, гидроксиапатитом или их сочетанием. Контрольную группу составляли дефекты, в которые аналогичным образом помещали имплантаты без какого-либо покрытия. Динамику репаративного процесса прослеживали через 8, 16, 24 и 48 недель после операций. Биоптаты ткани после фиксации в течение 24 часов в растворе 4 % нейтрального формалина подвергали бескислотной декальцинации в растворе ЭДТА в течение 2 недель. После декальцинации производили извлечение титанового стержня путем надреза на боковой стороне блока. Затем заливали материал в парафиновые блоки и производили поперечные срезы с последующей окраской гематоксилином и эозином. Количественную обработку результатов осуществляли на аппаратном комплексе «Видеотест-Морфо 4.0». Оценивали объемную долю (ОД) костной, хрящевой и соединительной ткани. На втором этапе исследования в течение 24-48 часов с момента биопсии проводили физико-механические испытания образцов для определения сдвиговой прочности на границе соединения «кость - имплантат». Предварительно биоптаты по периферии заливали эпоксидной смолой и помещали в специальные металлические фиксирующие формы. Для каждого вида покрытия в сроки 24, 48, 72 и 96 недель испытывали от 2 до 5 образцов. Испытания проводили на машине «Инстрон» 1115 (Англия), скорость растяжения при этом составляла 0,5 мм в минуту. Сдвиговую прочность соединения имплантата и кости определяли с помощью матрицы, диаметр отверстия в которой был на 0,5 мм больше диаметра образца.

Результаты исследования и их обсуждение.

Через 16 и 24 недели экспериментального исследования в группах животных с трехмерным капиллярно-пористым и керамическими покрытиями отмечали гистологическую картину, свидетельствующую в целом о завершении процессов костеобразования. В микропрепара-Hix прослеживались хорошо сформированные костные трабекулы и балки. Объемная доля костной ткани достигала 75,4 %. Элементы соединительной и хрящевой ткани на границе с имплантатами в большинстве препаратов не наблюдались. Лучшие результаты сдвиговой прочности через 24 недели после имплантации характеризовали образцы с ТКП+ГА+ФК-покрытием, они были на 65 % выше, чем у покрытий ТПК и ТКП+ГА. Для 48 и 72 недельных образцов максимальная сдвиговая прочность была достигнута при использовании ТКП+ГА-покрытия, что по прошествии 48 недель в 5 раз превышало показатели для образцов с ТКП-покрытием и было в 2 раза выше, чем у образцов с ТКП+ГА+ФК-покрытием. В срок же 72 недель сдвиговая прочность образцов с ТКП+ГА-покрытием оказалась в 1,2 раза выше, чем при использовании имплантатов с ТКП-покрытием, и в 1,7 раза выше показателей для образцов с ТКП+ГА+ФК-покрытием. Значение сдвиговой прочности у 96-недельных образцов с ТКП+ГА+ФК-покрытием было в 2 раза выше, чем у образцов с ТКП-покрытием, и в 1,4 раза выше, чем у образцов с ТКП+ГА-покрытием.

Заключение.

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о наличии прямой зависимости физико-механических свойств границы раздела между костной тканью и имплантатами от рельефа поверхности последних и наличия биокерамического слоя. Сдвиговая прочность имплантатов существенно увеличивается благодаря включению в композитное покрытие биокерамического слоя, состоящего из гидроксиапатита и гидроксиапатита и фосфата кальция. Разница в показателях сдвиговой прочности в основных и контрольной группе сохранялась в отдаленные сроки наблюдения (более 1 года).

Полученные результаты исследования доказывают перспективность разработки и применения имплантатов с композитными пористыми и керамическими покрытиями и необходимость дальнейшего изучения биологических процессов их взаимодействия с костной тканью, особенно в условиях функциональных нагрузок.


Ю. А. Ланцов, В. И. Калита, Д. А. Маланин, И. В. Деревянко, И. А. Сучилин, Д. И. Комлев
Волгоградский государственный медицинский университет, Волгоградский научный центр РАМН и АВО, г. Волгоград, Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, г. Москва