Полученные результаты свидетельствуют о том, что на протяжении первого месяца эксперимента значения концентраций кальция, фосфора и активности щелочной фосфатазы превышали исходные и референтные значения. К 7-м суткам отмечалось абсолютное увеличение концентрации кальция на 15,4%, фосфора - на 5%, ЩФ - на 23%; на 14-е сутки концентрации кальция были выше на 12,1%, фосфора - на 4,2%, ЩФ - на 12%, на 30-е сутки количества кальция, фосфора, активность щелочной фосфатазы, WBC и СРБ уже находились в границах физиологической нормы. Статистически достоверной разницы при использовании имплантатов с различными массовыми соотношениями фосфата и силиката кальция выявлено не было.
На 14-е сутки выполнялись контрольная рентгенография оперированной конечности в прямой и боковой проекциях, а также МСКТ-исследование, которые подтвердили, что имплантированные гранулы у животных всех экспериментальных групп полностью заполняли послеоперационный костный дефект, миграции гранул не произошло, патологической периостальной реакции, новых зон резорбции костной ткани выявлено не было.
К 30-м суткам после операции наибольшая выраженность остеопластического процесса была отмечена во 2-й экспериментальной группе, где зона дефекта заполнялась материалом, содержащим фосфаты и силикаты кальция в соотношении 60 к 40 масс% соответственно. По данным рентгенографии в посттравматическом костном дефекте у животных этой группы были отмечены признаки резорбции и трансформации имплантированного материала в новообразованную костную ткань. Кроме того, имелись отчетливые признаки сращения остеотомированной кортикальной пластинки бедренной кости с материнским ложем за счет развития костно-пластических процессов в зоне самого посттравматического дефекта (рис. 3).
Рис. 3. Вид метаэпифизарного костного дефекта на 30-е сутки эксперимента: а - передне-задняя проекция: б - боковая проекция
МСКТ-картина подтверждала полученные клинические и рентгенологические данные. В зоне имплантации остеогенного материала формировалась костная ткань неравномерной плотности, заполняющая посттравматический дефект и имеющая в ряде отделов интимную связь с кортикальным слоем кости. В этих же отделах выявлялись элементы гипертрофической реакции надкостницы и периостальной костной мозоли. В некоторых сканах в отдельных участках костного дефекта, вероятно, в связи с преобладанием рубцовой соединительной ткани, визуализировались отграниченные от интактной кости "пустые" зоны с формированием небольших полостей и начинающимся остеосклерозом их стенок (рис. 4).
Рис. 4. МСКТ срезы метаэпифизарного костного дефекта на 30-е сутки эксперимента: а -сагиттальный срез; б - коронарный срез
Измерение плотности новообразованной ткани в единицах Хаунсфилда (рис. 5) показало, что в зоне имплантируемого вещества к 30-м суткам эксперимента наблюдалось формирование костной ткани, схожей по плотности с окружающей метафизарной костью и соответствующей плотности кости не оперированной контрлатеральной конечности (HU = 250-400 Ед).
Рис. 5. Распределение плотности новообразованной костной ткани (Hu) в экспериментальных группах
Наибольший разброс показателей плотности, но и наибольшая средняя плотность костного регенерата были зарегистрированы у животных 2-й экспериментальной группы, что, вероятно, свидетельствовало о большей активности репаративных процессов при использовании имплантируемого материала с соотношением фосфата и силиката кальция 60 к 40 масс%.
Гистологическое исследование показало, что в опытных группах, где были имплантированы материалы, имеющие в составе фосфаты и силикаты кальция в соотношении 40 к 60 и 50 к 50 масс%, к 30-м суткам после операции локальная картина была однотипной. В костном дефекте обнаруживались неструктурированные фрагменты имплантируемого материала различной формы и величины с отсутствием макрофагальной реакции. Сам дефект был преимущественно заполнен нежно-волокнистой соединительной тканью с новообразованными полнокровными сосудами капиллярного типа, на границе дефекта и интактной кости определялись единичные активные остеобласты. Иная картина наблюдалась в гистологических образцах 2-й группы при использовании соотношения фосфатов и силикатов кальция в 60 к 40 масс% (рис. 6).
Рис. 6. Гистологический препарат новообразованной костной ткани после имплантации гранул в соотношении 60/40 масс% ФК/СК: 1 - новообразованная кость; 2 - включения имплантируемого вещества; 3 - новообразованные сосуды
Кроме заполняющего дефект массива малодифференцированной соединительной ткани с множественными кровеносными сосудами различных размеров и фрагментами имплантированного материала, визуализировались формирующиеся костные трабекулы, образовывающие среднеячеистую губчатую кость, в межтрабекулярных промежутках которой соединительная ткань приобретала более организованную структуру.
Таким образом, проведенное исследование показало, что использование имплантируемого биодеградируемого материала на основе сочетания фосфатов и силикатов кальция имеет ряд положительных качеств и в отношении переносимости, и в отношении остеоиндуктивности. Первое подтверждалось отсутствием патологических реакций, признаков системного и местного активного воспалительного процесса в раннем и среднесрочном периодах после имплантации. Более того, после заполнения дефекта произошло достаточно быстрое (в течение первых 6 суток) возобновление активности лабораторных животных с восстановлением опороспособности конечности, отмечалось первичное заживление послеоперационной раны с отсутствием признаков продолжительной экссудации. Лабораторные показатели общего анализа крови, СРБ в течение первых 10 суток вернулись к референтным значениям.
Наиболее важной задачей исследования являлось выяснение регенераторного потенциала имплантируемого материала при различных сочетаниях в нем фосфата и силиката кальция. Литературные данные свидетельствуют, что для оптимизации процессов остеогенеза в основном используют материалы, имеющие в своем составе исключительно фосфаты кальция [5, 2, 12] в различных формах, размерах и сочетаниях (с металлами, органическими компонентами и пр.). В зарубежной литературе имеются данные о синтезировании высокотемпературной керамики, сочетающей в себе фосфаты и силикаты кальция в различных пропорциях, но основными недостатками данных веществ являются высокая плотность и отсутствие пористости поверхности, что препятствует процессам активного роста и интеграции новообразованной костной ткани [12]. Однако в ряде исследований показано существенное стимулирующее влияние ионов кремния на процессы остеогенеза, которое носит волнообразный характер и наиболее активно проявляется в процессе минерализации. Было установлено, что на ранних стадиях роста остеоидной ткани содержание в ней кремния крайне невелико, однако с созреванием каллуса его количество постепенно нарастает, достигая более чем 200% от исходного. Методом рентгеноспектрального анализа обнаружено, что в этот период кремний присутствует в участках роста молодой кости и в составе остеобластов в количествах, близких к содержанию кальция, фосфора и магния [9]. В дальнейшем, по мере увеличения в новообразованной кости концентрации кальция до соответствующего зрелому костному апатиту, уровень кремния снова снижается до минимума [3, 2, 13].
В проведенном нами экспериментальном исследовании получены комплексные данные, позволяющие прийти к заключению о перспективности симультанного использования фосфатов и силикатов кальция для замещения костных дефектов. Это подтвердили и данные биохимического исследования крови (повышение значений концентраций кальция, фосфора и активности щелочной фосфатазы), и результаты рентгенологических методов визуализации, отмечающих, что уже к 30-м суткам в зоне имплантации формировалась костная ткань, заполняющая полость сформированного дефекта, с неравномерной, но достаточно высокой средней плотностью в 300,5 ед. Хаунсфилда. Гистологическое исследование подтвердило активацию процессов остеогенеза в зоне костного дефекта с биодеградацией искусственного материала и преимущественным замещением его новообразованной трабекулярной костной тканью. Проводя сравнение и анализ полученных результатов, необходимо отметить, что наибольший потенциал регенераторного воздействия в ранние сроки показала имплантация гранул материала, сочетающего в своем составе фосфаты и силикаты кальция в соотношении 60/40 масс%.
Заключение
По результатам проведенного экспериментального исследования нами было установлено, что предлагаемый синтетический материал не вызывает патологических общих и локальных реакций на имплантацию, а использование комбинации фосфатов и силикатов кальция с целью стимуляции и оптимизации процессов репаративного остеогенеза в соотношении 60/40 масс% соответственно показало лучшие первичные результаты восполнения метаэпифизарного костного дефекта, в отличие от других дозировок, что было подтверждено клиническими, рентгенологическими и гистологическими методами исследования. Таким образом, полученные данные демонстрируют целесообразность дальнейшего изучения механизмов и эффективности применения новых биоактивных имплантатов для замещения дефектов костной ткани.
Список литературы
1. Patshina M.V., Voroshilin R., Osintsev A.M. Global Biomaterials Market: Potential Opportunities for Raw Materials of Animal Origin. Food Processing: Techniques and Technology. 2021. vol. 51. no. 2. Р. 270-289.
2. Biomaterials market size, share & trends analysis report by product (natural, metallic, ceramics, polymers), by application (cardiovascular, orthopedics, plastic surgery), and segment forecasts, 2020-2027. Grand View Research, 2010. 190 p.
3. Свентская Н.В., Белецкий Б.И. Силикатные материалы в имплантологии // Успехи в химии и химической технологии. 2008. № 7 (87) C. 72-77.
4. Xiao D., Zhang J., Zhang C., Barbieri D., Yuan H., Moroni L., Feng G. The role of calcium phosphate surface structure in osteogenesis and the mechanisms involved. Acta Biomater. 2020. vol. 106. P. 22-33. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.12.034.
5. Агаджанян В.В., Твердохлебов С.И., Больбасов Е.Н., Игнатов В.П., Шестериков Е.В. Остеоиндуктивные покрытия на основе фосфатов кальция и перспективы их применения при лечении политравм // Политравма. 2011. № 3. С. 5-13.
6. Корыткин А.А., Орлинская Н.Ю., Новикова Я.С., Герасимов С.А., Давыденко Д.В., Кулакова К.В., Твердохлебов С.И., Больбасов Е.Н. Биосовместимость и костная интеграция титановых имплантатов различной пористости с кальций-фосфатным покрытием и без покрытия // Современные технологии в медицине. 2021. Т. 13. № 2. С. 52-58.
7. Santos P.S., Cestari T.M., Paulin J.B., Martins R., Rocha C.A., Arantes R.V.N., Costa B.C., Dos Santos C.M., Assis G.F., Taga R. Osteoinductive porous biphasic calcium phosphate ceramic as an alternative to autogenous bone grafting in the treatment of mandibular bone critical-size defects. J. Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2018. vol. 106 (4). P. 1546-1557. DOI: 10.1002/jbm.b.33963.
8. Zhou P., Xia D., Ni Z., Ou T., Wang Y., Zhang H., Mao L., Lin K., Xu S., Liu J. Calcium silicate bioactive ceramics induce osteogenesis through oncostatin M. Bioact Mater. 2020. vol. 6 (3). P. 810-822. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2020.09.018.
9. Скрипникова И.А., Гурьев А.В. Mикроэлементы в профилактике остеопороза: фокус на кремний // Остеопороз и остеопатии. 2014. № 17 (2). С. 36-40. DOI: 10.14341/osteo2014236-40.
10. Солоненко А.П., Блесман А.И., Полонянкин Д.А. Синтез и физико-химическое исследование гидросиликатов кальция различного стехиометрического состава // Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Т. 6. № 2. С. 215-221.
11. Солоненко А.П., Шевченко А.Е., Рождественский А.А., Дзюба Г.Г. Исследование процесса и продуктов прокаливания композитных гранул на основе гидроксиапатита, волластонита и желатина // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 9. № 2. С. 32-37. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-32-37.
12. Ros-Tarraga P., Mazon P., Revilla-Nuin B., Rabadan-Ros R., de Aza P.N., Meseguer- Olmo L. High temperature casio3-Ca3(PO4)2ceramic promotes osteogenic differentiation in adult human mesenchymal stem cells. Mater Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2020. vol. 107. P. 110355. DOI: 10.1016/j.msec.2019.110355.
13. Lalzawmliana V., Anand A., Roy M., Kundu B., Nandi S.K. Mesoporous bioactive glasses for bone healing and biomolecules delivery. Materials Science and Engineering C. 2020. P. 106. DOI: 10.1016/j.msec.2019.110180.