Исследование взаимодействия кальциофосфатных имплантатов с костной тканью

Исследование взаимодействия остеоиндуктивных и остеокондуктивных кальциофосфатных имплантатов с костной тканью в норме и при статической нагрузке

Модель эктопического костеобразования является аналитическим методом. Она позволяет оценить токсичность материала, его способность к остеокондукции и остеоиндукции, изучить клеточно-молекулярные механизмы регенерации костной ткани. Однако при ее применении имеется ряд ограничений. Главный недостаток метода заключается в том, что нет прямого контакта с костной тканью. Другие способы моделирования взаимодействий имплантата с костной тканью связаны с прямым введением биоматериалов в кость (Малышкина, 1996; Recum, 1986). Учитывая тот факт, что изделия, используемые в ортопедических системах, несут определенную биомеханическую нагрузку, мы посчитали, что имеет смысл имитировать такое воздействие на исследуемые имплантаты в эксперименте.

В качестве подопытных животных использовались кролики. Для исследования использовались штифты из титанового сплава ВТ16 диаметром 2,0 мм, длиной 16 мм. На имплантаты наносились следующие покрытия:

1. «чистый» титан (покрытие №1) в качестве контрольной группы;
2. диэлектрическая оксидная пленка титана (покрытие №2);
3. электрохимическое, мелкокристаллическое, рентгеноаморфное кальций-фосфатное покрытие (покрытие №3);
4. композитное биокерамическое покрытие на кальций-фосфатной подложке (покрытие №4), нанесенное шликерным методом.

Штифты вводились 22 кроликам в три нижних поясничных позвонка транспедикулярно.

 

Ход операции по транспедикулярному вживлению титановых стержней с разными типами покрытий кроликам

Животные выводились из эксперимента через 1, 2 и 3 месяца. После изъятия блоков позвонков делали их рентгенологические снимки и проводили динамометрические испытания имплантатов. Исследование проводилось на разрывной машине для испытания пластмасс Р-50. Часть материала фиксировали в 10% растворе формалина с последующим гистологическим исследованием препаратов. Плотность костной ткани вокруг имплантатов оценивалась по рентгенологическим снимкам с помощью морфометрической программы PhotoShop 5.

Рентгенограмма позвонков кролика через 2 месяца после введения титановых имплантатов. Сверху вниз расположены пары титановых имплантатов с 1 - биоинертным, 2 - остеокондуктивным и 3 - остеоиндуктивным покрытиями

Общий вид испытательной машины Р-50 для оценки прочности фиксации имплантатов во время удаления тестируемых стержней из позвонков кроликов

Выполненные исследования показали, что через 1 месяц эксперимента сила, необходимая для извлечения штифтов, практически не зависит от типа покрытия имплантата.

Сила извлечения (N) штифтов с различными типами покрытий (чистый титан, БИ, ОК и ОИ) из позвонков кролика через 1, 2 и 3 месяца после имплантации

Вероятно, имела место механическая фиксация штифтов в костной ткани позвонков. Тем не менее, максимальная нагрузка (в среднем 103 N) была зафиксирована в случае применения ОК покрытия, что может быть связано с его физико-химическими свойствами. Спустя два месяца после установки имплантатов отмечалось усиление прямой зависимости динамометрической нагрузки от типа покрытия с увеличением наклона прямой.

Усилие вырывания на штифтах с учетом нагрузки и без нее (с учетом глубины погружения)

В первую очередь это обусловливалось значительным приростом прочности фиксации в кости имплантатов с композитным покрытием. Из полученных нами ранее данных известны остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства композитных кальций-фосфатных материалов с заданной пористостью порядка 200 мкм. В нашем случае линейный размер пор ОИ покрытия составлял 211 ± 15 мкм, площадь пор - 0,042±0,004 мм². По-видимому, динамометрические результаты интегрально отражают возможность биологической связи композитного покрытия с костной тканью. Косвенным подтверждением предположения может служить факт отрыва ОИ покрытия в среднем на 39% по линии связи с подложкой.

К 3-му месяцу наблюдения зависимость силы вырывания (СВ) от типа покрытия имплантатов приобретала обратную зависимость, что было связано, скорее всего, с существенным падением фиксации в костной ткани штифтов с электрохимическим кальций-фосфатным покрытием. Действительно, данный тип покрытия не обеспечивает длительной стойкой фиксации имплантатов в кости,, поскольку отмечается максимальная скорость падения динамометрического показателя в динамике эксперимента.

Практически аналогичным образом снижались значения в случае непассивированных титановых имплантатов (покрытие №1), у которых средние значения СВ оказались самыми низкими среди исследованных покрытий. Ослабление фиксации имплантатов с ОК покрытием (№3), по-видимому, обусловливалось биодеградацией КФ материала, так как изделия с оксидной пленкой титана (покрытие №2) показали стабильные результаты в течение всего эксперимента. Распределение костной ткани вокруг имплантатов, полученное с помощью количественной морфометрии рентгенологических снимков, согласуется с данными динамометрии. Чем выше плотность кости вокруг имплантата, тем больше величина прочности связывания его с костью.

Динамометрия показала, что прочность фиксации имплантатов в позвонках кролика зависит от способа формирования покрытия на их поверхности. С одной стороны, все типы покрытий усиливают связь штифтов с костной тканью по сравнению с «чистым» титаном. С другой стороны, остеокондуктивное электрохимическое КФ покрытие показывает высокую по амплитуде, но кратковременную прочность фиксации в костной ткани. Диэлектрическая оксидная пленка титана (биоинертное покрытие) обеспечивает стабильную, среднюю по амплитуде прочность фиксации штифтов. Остеоиндуктивные имплантаты обеспечивают долговременную, возрастающую силу сцепления имплантатов с костью, что особенно актуально в условиях остеопороза костной ткани.

Средние величины плотности кости под штифтом по отношению к кортикальной кости в процентах

А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики