Статья: Первые результаты экспериментального применения синтетического материала на основе смеси фосфата и силиката кальция с целью замещения костных дефектов

Первые результаты экспериментального применения синтетического материала на основе смеси фосфата и силиката кальция с целью замещения костных дефектов

Рождественский А.А.^1,2,

Дзюба Г.Г.¹,

Ерофеев С.А.¹,

Солоненко А.П.¹,

Шевченко А.Е.¹,

Кузовкин А.Н.²,

Ештокин Д.И.⁴,

Чернигова С.В.³,

Дочилова Е.С.³,

Рождественский А.С.²

Аннотация

Травмы, хирургические вмешательства при опухолевых и воспалительных процессах требуют от врачей поиска новых подходов к замещению дефектов костной ткани и оптимизации процессов остеогенеза. Целью работы является изучение в эксперименте ранних общих и местных реакций на имплантацию нового остеопластического материала, включающего различные комбинации фосфата и силиката кальция, при замещении метаэпифизарного костного дефекта. Для этого материалы трех различных составов (с пропорцией фосфата кальция к силикату кальция 60/40, 50/50 и 40/60 масс.% соответственно) имплантированы 36 кроликам в зону дистального метаэпифиза бедренной кости. Срок наблюдения составил 30 суток. Данные клинического осмотра и лабораторных исследований в послеоперационном периоде и в течение всего срока наблюдения свидетельствовали об отсутствии выраженной воспалительной реакции на имплантируемый материал. Выполненное на 30-е сутки МСКТ- исследование свидетельствует о формировании новообразованной костной ткани, схожей с материнской костью по плотности (среднее значение 300,5 Hu). По результатам гистологического исследования установлено, что имплантационный материал с соотношением фосфатов и силикатов кальция 60/40 обладает наилучшими остеорегенераторными характеристиками в сравнении с другими представленными материалами.

Ключевые слова: остеогенез, репаративная регенерация, фосфаты кальция, силикаты кальция, костный дефект.

THE FIRST RESULTS OF EXPERIMENTAL APPLICATION OF A SYNTHETIC MATERIAL BASED ON A MIXTURE OF CALCIUM PHOSPHATE AND SILICATE IN ORDER TO STIMULATE THE PROCESSES OF REPARATIVE OSTEOGENESIS

Rozhdestvenkiy А.А.^1,2, Dzyuba G.G.¹, Erofeev S.A.¹, Solonenko A.P.¹, Shevchenko A.E.¹, Kuzovkin A.N.², Eshtokin D.I.⁴, Chernigova S.V.³, Dochilova E.S.³, Rozhdestvenskiy A.S.²

Injuries, surgical interventions in tumor and inflammatory processes require doctors to search for new approaches to the replacement of bone defects and optimization of osteogenesis processes. The aim of the work is to study experimentally the early general and local reactions to the implantation of a new osteoplastic material, including various combinations of calcium phosphate and silicate, during the replacement of a metaepiphyseal bone defect. For this purpose, materials of three different compositions (with the proportion of calcium phosphate to calcium silicate 60/40, 50/50 and 40/60 wt.%, respectively) were implanted in 36 rabbits in the zone of the distal metaepiphysis of the femur. The observation period was 30 days. The data of clinical examination and laboratory studies in the postoperative period and during the entire follow-up period indicated the absence of a pronounced inflammatory reaction to the implanted material. The study performed on the 30th day of CT indicates the formation of newly formed bone tissue similar to the maternal bone in density (average value 300.5 Hu). According to the results of histological examination, it was found that the implantation material with a ratio of phosphates and calcium silicates 60/40 has the best osteoregenerative characteristics in comparison with other materials presented.

Keywords: osteogenesis, calcium phosphates, calcium silicates, bone, synthetic material. имплантация остеопластический кальций

Востребованность остеотропных материалов в современном мире растет с каждым годом. По данным НИИ ревматологии РАМН, в настоящее время около 2 млн пациентов нуждаются в операциях по замещению костной ткани, а общий объем рынка биоматериалов в Российской Федерации к 2025 г. должен достичь 979 млн рублей [1]. Мировой рынок растет еще более стремительно, и, если, по данным Global View Research, в 2017 г. он оценивался в 83,9 млрд долларов, то ожидается, что к 2025 г. он вырастет примерно в 3 раза - до 240 млрд долларов [2].

Столь значительная потребность в материалах для костной пластики имеет медицинскую основу. Травмы, хирургические вмешательства при опухолевых и воспалительных процессах требуют от врачей поиска новых подходов к замещению дефектов костной ткани или оптимизации процессов остеогенеза, в том числе с использованием специальных материалов [3]. Такими достаточно изученными и применяемыми материалами являются имплантируемые субстанции, изготовленные на основе фосфатов (ФК) или силикатов (СК) кальция. Керамика из ФК обладает способностью индуцировать процессы остеогенеза, так как имеет схожий с натуральной костью состав и может служить каркасом для ее восстановления [4], а нанесение покрытий из ФК, в частности гидроксиапатита (Са 10(РО 4)6(ОН)2) и трикальция фосфата (Са 3(РО 4)2), на металлоконструкции для остеосинтеза и эндопротезирования достаточно давно используется в медицинской практике, поскольку позволяет добиться достоверно лучших результатов лечения [5, 6, 7]. Помимо кальцийфосфатных материалов, широкое распространение получили биоактивные стекла, содержащие в составе оксид кремния [8, 9]. Доказано, что они обладают остеоиндуктивными свойствами и способствуют дифференцировке мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток в остеобласты, оказывают положительное влияние на формирование основного вещества кости, тем самым стимулируя процессы репаративного остеогенеза [10].

Наряду с составом важна и форма материала, которая должна обеспечивать возможность полного заполнения костного дефекта любой конфигурации и объема. С этой точки зрения более удобны гранулированные материалы, в составе которых присутствуют частицы различных размеров [11].

Резюмируя изложенное, можно заключить, что композитные препараты, содержащие в своем составе фосфаты и силикаты кальция в виде гранул различных размеров, представляются перспективными костнопластическими материалами, требующими дальнейшего изучения.

Цель исследования - экспериментальное изучение ранних общих и местных реакций на имплантацию нового остеопластического материала, включающего различные комбинации фосфата и силиката кальция, при замещении метаэпифизарного костного дефекта.

Материалы и методы исследования

Для достижения поставленной цели необходимо было разработать экспериментальный резорбируемый материал на основе сочетания фосфатов и силикатов кальция, имплантировать его в стандартизированный посттравматический метаэпифизарный костный дефект у лабораторных животных и изучить его влияние на общие и локальные регенераторные процессы.

На первом этапе исследования на базе научной лаборатории стоматологического факультета ФГБОУ ОмГМУ Минзрава России был разработан и получен новый синтетический гранулированный материал с варьируемым содержанием фосфата и силиката кальция, а именно гидроксиапатита (Саіо(РО 4)б(ОН)2) и волластонита (СаБіОз), и связующего полимера - желатина (в количестве не более 20 масс.%) [2]. Макроскопически материал представляет собой набор сфер различного диаметра (от 0,2 мм до 5 мм) (рис. 1) с открытой пористостью порядка 50% и микротвердостью не менее 17 HV (микротвердость - твердость отдельных участков микроструктуры), эти данные были получены путем измерений по Виккерсу.

а б

Рис. 1. Общий вид гранул: фото образца в чашке Петри (а) и микрофотография, полученная на микроскопе "JCM-5700", JEOL (б)

Для исследования in vivo были выбраны гранулы с пропорцией гидроксиапатита к волластониту 60/40, 50/50 и 40/60 масс.% соответственно, размерами от 0,2 до 1,0 мм. Перед использованием материалы стерилизовали путем автоклавирования при температуре 120°С в течение 30 минут.

Экспериментальное исследование проводилось на 36 кроликах породы Белый великан весом 3800-4200 г с соблюдением принципов гуманности, которые изложены в директивах

Европейского сообщества (86/609//ЕЕС) и Хельсинкской декларации, на основании разрешения этического комитета ОмГМУ № 128 от 03.02.2021 г. Всем животным выполнялся стандартизированный дефект метаэпифизарного отдела бедренной кости. Для этого каждому из кроликов в операционной выполнялась в/м седация путем введения препарата "Золетил" в индивидуальной дозировке. С использованием циркулярной пилы в дистальном метаэфипизе бедренной кости формировался прямоугольный дефект кортикального слоя размером 10х 5 мм. При помощи инструментария кортикальная пластинка "вдавлена" на глубину до 8 мм (объем сформированной полости составил 400+4 мм ³), далее при помощи элеватора выполнялся подъем костного фрагмента, впоследствии, в зависимости от исследуемой группы, в сформированную полость помещался синтетический материал либо зона оставалась интактной. Кортикальная пластинка фиксировалась в материнское ложе, мягкие ткани послойно ушивались (рис. 2).

А б

Рис. 2. Вид метаэпифизарного костного дефекта: а - после имплантации биоактивных гранул; б - после закрытия костной полости кортикальной пластинкой

Экспериментальные животные были разделены на 4 группы (по 9 животных в каждой) в зависимости от выбранного соотношения фосфатов и силикатов кальция: 1-я группа (контрольная) - зона дефекта не замещалась материалом, 2-я группа - в зону перелома имплантировался материал, в своем составе содержащий фосфаты и силикаты кальция в соотношении 60/40 масс.% соответственно, 3-я группа - в зону смоделированного дефекта имплантировался материал, в своем составе содержащий фосфаты и силикаты кальция в соотношении 50/50 масс.% соответственно, 4-я группа - в зону перелома имплантировался материал, в своем составе содержащий фосфаты и силикаты кальция в соотношении 40/60 масс.% соответственно.

После моделирования костного дефекта животные находились под ежедневным контролем клинического статуса: оценивались их общее состояние, сохранение аппетита и жажды, температура тела per rectum, опороспособность конечности, заживление послеоперационной раны, наличие или отсутствие отека, гиперемии, повышение локальной температуры оперированной конечности. Лабораторные исследования сыворотки крови всех групп животных выполнялись на 7-е, 14-е и 30-сутки. При биохимическом исследовании крови были проанализированы уровень кальция, фосфора и щелочной фосфатазы, WBC, СРБ. Реакцию костной ткани на имплантацию и динамику репаративных процессов контролировали выполнением рентгенологического исследования на аппарате Toshiba Radrex и мультиспиральной компьютерной томографией (МСКТ), выполненной на аппарате Toshiba Aquilion CXL 128, в сроки 1-е, 14-е и 30-е сутки после операции.

Для забора морфологического материала животные выводились из эксперимента на 14-е и 30-е сутки. С помощью медицинского инструментария и фрезы резецировалась метаэпифизарная часть бедренной кости, включающая область экспериментального костного дефекта. Полученные костные фрагменты помещали в 10%-ный раствор формалина, декальцинировали в 5%-ном растворе азотной кислоты и обезвоживали в спиртах возрастающей крепости (от 60° до 96°), а также в смеси этилового спирта с диэтиловым эфиром (в соотношении 1:1). В последующем образцы заливали в целлоидин, уплотняли под парами хлороформа, после чего из полученных блоков изготавливали срезы толщиной 7-10 мкм, которые окрашивали гематоксилином и эозином и исследовали под микроскопом "XSZ 158T".

При статистическом анализе использовали программные пакеты Microsoft Excel XP и StatSoft Statistica v.10. Сравнение групп лабораторных животных проводили с использованием t-критерия Стьюдента с уровнем достоверности р<0,05. Полученные данные каждой группы оценивали при помощи критерия Шапиро-Уилка; результаты анализа приближаются к 1, то есть данные можно считать достоверными.

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее значимые изменения в клиническом статусе животных были зафиксированы в период с 1-е по 6-е сутки. В 1-е сутки после моделирования дефекта и установки биоактивного материала животные всех исследуемых групп оставались вялыми, мало двигались, не опирались на оперированную конечность. Были зафиксированы снижение аппетита, увеличение потребления жидкости (до 500 мл), средняя температура тела у животных составила 40,03±0,08°C (в норме температура тела составляет 39,0°C), а среднее значение локальной температуры оперированной конечности - 40,5±0,1°С. У всех животных отмечались местная гиперемия, отечность и болезненная реакция на пальпацию оперированной конечности. На 2-е сутки у животных сохранялись снижение аппетита, болевая реакция, однако зона гиперемии уменьшалась, повысилась активность и восстановилась частичная опороспособность. Среднее значение температуры у животных составило 39,8±0,1°С, местной - 40,2±0,1°С. На 3-и сутки у животных восстановились аппетит и двигательная активность, жажда снизилась (объем потребляемой жидкости - 350 мл). Местный отек и болевая чувствительность не регистрировались. Среднее значение температуры тела составило 39,4±0,2°С, местной - 39,6±0,2°С. К 5-м суткам после операции фиксировали только незначительное повышение местной температуры конечности - 39,2±0,1°С, остальные показатели клинического статуса вернулись к дооперационным, с 6-х суток отмечалось полное восстановление клинического статуса у животных всех наблюдаемых групп.

Результаты лабораторных исследований свидетельствовали об однотипной стойкой тенденции к повышению биохимических показателей кальция, фосфора и щелочной фосфатазы в сыворотке крови у всех групп оперированных животных, что подтверждает активацию процессов регенерации. Интегрированные результаты биохимических исследований представлены в таблице.Некоторые биохимические показатели сыворотки крови у экспериментальных животных в ранние сроки после имплантации