Взаимосвязь процессов остеокондукции и биодеградации кальциофосфатов (КФ)

Кальциофосфаты (КФ) имеют высокую хрупкость, в связи с чем используются в сочетании с металлической подложкой, которая обладает необходимыми биомеханическими свойствами (Moroni et al., 2000). Очевидно, что процесс остеоинтеграции КФ материалов, часто реализующийся с участием механизмов остеокондукции, должен повторять процессы минерализации костной ткани, имеющей место в реальном организме (Li, 1994). Следовательно, в этом случае наряду с костеобразованием параллельно должен включаться еще и механизм, связанный с биодеградацией КФ материалов. КФ показывают разную степень биодеградации в системах in vitro и in vivo, по-видимому, за счет вариации физико-химических и клеточных механизмов (Gatti et al., 2001). Так, при попадании КФ в биологическую среду с рН менее 7,4 они растворяются, что может привести к нарушению целостности структуры и расшатыванию имплантатов (Berger et al., 2001; Moroni et al., 2001). Однако тонкие механизмы этого процесса для пористых КФ во многом остаются неясными и являются предметом исследований.

Мы решили исследовать взаимосвязь процессов остеокондукции и биодеградации пористых кальциофосфатных материалов, используемых в травматологии и ортопедии.

Эктопическое костеобразование и биодеградацию КФ исследовали на 120 самцах мышей линии Balb/с массой 18-21 г. Мышам подкожно имплантировали КФ диски с предварительно нанесенным столбиком костного мозга, который извлекали из бедренной кости животных (клеточность - 1,5х10⁶ клеток/ мл) в среде DI-MEM (ISN) с 10% эмбриональной телячьей сыворотки («Вектор», Новосибирск). Через 1,5 месяца животных умерщвляли эфирным наркозом, диски извлекали и подвергали морфометрическому, гистологическому и гистохимическому (кислая и щелочная фосфатазы) анализу. Часть препаратов оценивали с помощью сканирующей электронной микроскопии.

КФ диски были изготовлены из натуральных КФ, полученных из костей крупного рогатого скота по стандартной методике путем обжига, измельчения, промывки, высушивания, просеивания через сита с уменьшающимся диаметром ячеек, прессованием под давлением 250 МПа в форме дисков и термической обработки при температуре от 1250 до 1300 °С. Фазы композиционного покрытия исследовали методом рентгенодифракционного анализа на установке ДРОН-4. Структурный анализ поверхности проводился с помощью металлографического микроскопа и сканирующего электронного микроскопа на продольных и поперечных срезах.

Образцы кальций-фосфатной керамики имели диаметр пор 10-80, 80-120, 120-200, 200-400 мкм, с объемной пористостью 40-60%, кристалличностью более 90%. Материал состоял на 95-97% из гидроксиапатита и 3-5% β-трикальциофосфата.

Результаты исследования костеообразующей способности представлены в таблице. Биосовместимость всех образцов была превосходной. Локальных и общих токсических, воспалительных реакций отмечено не было. Имплантаты с диаметром пор более 300 мкм были покрыты соединительной капсулой.

Зависимость остеокондуктивных свойств кальциофосфатной биокерамики от линейного размера пор, X+m, Pt

№	Размер пор (мкм)	Площадь костной ткани (мм2)	Скорость распространения костной ткани (мм/сут)
1	100-150	0	0
2	150-200	10,32±1,13*	0,34+0,04*
3	200-250	13,92+1,59*	0,46+0,05*
4	250-300	22,5±1,73* #	0,75±0,07*#
5	Более 300	12,12+1,43*	0,40+0,05*

Примечание: * - достоверные различия (Р<0,05) с 1-й серией, # - достоверно со 2, 3 и 5-й сериями опыта согласно t-критерию Стьюдента

Полученные данные однозначно свидетельствуют о том, что увеличение пористости кальциофосфатной керамики сопровождается усилением процессов костеобразования. Так, в образце №1 с диаметром пор менее 100 мкм остеокондуктивные свойства кальциофосфатов отсутствовали. Эти параметры возрастали от образца №2 к образцу №4, с последующим снижением.

У керамики с порами более 300 мкм образовывалась плотная стромальная капсула, которая, по-видимому, тормозила рост костной ткани. Установлено, что в течение 5-6 недель костный мозг трансформируется в незрелую костную ткань, имеющую на поперечном сколе КФ сетчатое строение, состоящую из минерализованных волокон коллагена, гликозаминогликанов и костных клеток. Наблюдается формирование незрелой остеоидной ткани с неполноценной архитектоникой. Пластинчатые элементы отсутствуют. Остеобласты начинают формировать структуры, напоминающие прообраз Гаверсовой системы. Межклеточный матрикс окрашивается неравномерно, в межбалочных пространствах наблюдается рыхлая клеточно-волокнистая соединительная ткань с избыточным содержанием фибробластов, остеоцитов, жировых и других клеток. Поверхность КФ неровная, часто обнаруживаются лакуны, содержащие остеокласты и гистиоциты. Вблизи новообразованной кости в элементах соединительных волокон выявляются разрозненные, малодифференцированные элементы, очевидно, мезенхимального происхождения. В лакунах обнаруживаются многочисленные депозиты, имеющие вид желтых сгруппированных частиц. Можно полагать, что это КФ, однако специфических реакций на данный тип веществ мы не проводили. На электронной микроскопии видно, что структура очага костеобразования имеет сетчатое строение, а ее поверхность состоит из коллагеновых волокон, среди которых определяются отдельные клетки.

 

Световая (1) и сканирующая электронная (2, 3, 4, 5, 6) микроскопия поверхности (1, 2, 3, 5, 6) и скола (4) кальциофосфатного диска, проходящего через очаг костеобразования. На препарате среди структуры незрелой губчатой кости видны соединительнотканные волокна и клетки. Увеличение: 1 (х20), 2, 6 (х2500), 3 (х5000), 4 (х1000)

Проведенные гистологические исследования показали, что сначала на пограничной поверхности КФ биокерамики откладывались соединительно-тканные волокна, формирующие, очевидно, вместе с ГАГ и ПГ органическую матрицу. Они включали в свой состав разнообразные клетки - лимфоциты, макрофаги, гистиоциты, фибробласты, тучные клетки, включая остеокласты. Последние образуют лакуны в стенках КФ, которые затем заселяются остеобластами. Остеобласты участвуют в построении костной ткани, а остеокласты и мультиядерные клетки ответственны за резорбцию кальциофосфатных минералов.

Подсчитано, что скорость экспансии костной ткани (остеокондукции) по поверхности имплантата составляет около 15-20 мкм/сут при темпе биодеградации кальциофосфатов под новообразующейся костью 0,3-1,7 мкм/сутки.

Полученные результаты, свидетельствующие, что процессы остеокондукции и биодеградации тесно связаны между собой, позволяют по-новому взглянуть на процессы остеоинтеграции, описанные рядом авторов (Bruijn, 1993; Daculsi, 1999; Layrolle et al., 2001; Yang et al., 2001). По-видимому, механизм OK на КФ материалах во многом повторяет морфофункциональные особенности роста костной ткани в условиях реального остеогенеза. Известно, что средний размер структурно-функциональной единицы кости-остеона составляет 80-300 мкм (Хэм, Кормак, 1983). В связи с этим образцы, имитирующие структуру остеона, обладают более высокими остеокондуктивными свойствами (Bruijn, 1993; Li, 1994). В то же время наряду с продвижением костной ткани по поверхности имплантата происходит его деградация и, очевидно, дальнейшая утилизация для построения новой функциональной системы (имплантат/кость). Данный механизм является одной из составных частей процесса остеоинтеграции кальциофосфатов (Daculsi, 1999). Этот процесс, очевидно, идет двумя путями. Один из них носит пассивный характер и осуществляется за счет растворения имплантата под действием агрессивных биологических жидкостей. Другой механизм связан с активной реконструкцией КФ через клеточные механизмы, в которых главная роль принадлежит остеокластам. Этот феномен во многом напоминает процесс ремоделирования костной ткани во взрослом организме и потому носит физиологический характер. В связи с этим при разработке новых ортопедических имплантатов на основе КФ биокерамики, имеющей высокие биомеханические и биосовместимые свойства, необходимо создавать такие композиции, которые обладали бы высокой способностью к остеокондукции и остеоинтеграции с учетом их биодеградации (Karlov et al., 1998, 1999, 2000).


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