Экспериментальные исследования в оценке чистого титана как оптимального имплантационного материалав реконструктивной хирургии травматических дефектов костей лицевого и мозгового черепа

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОЦЕНКЕ ЧИСТОГО ТИТАНА КАК ОПТИМАЛЬНОГО ИМПЛАНТАЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ ТРАВМАТИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ КОСТЕЙ ЛИЦЕВОГО И МОЗГОВОГО ЧЕРЕПА

Чудаков Олег Порфирьевич, доктор медицинских наук, профессор, профессор кафедры хирургической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск

Се Сюйкай, аспирант кафедры хирургической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск Походенько-Чудакова Ирина Олеговна, доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой хирургической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск

Chudakov Oleg P., MD, Professor, Professor of the Department of Surgical Dentistry of the Belarusian State Medical University, Minsk Xie Xukai, Post-graduate Student of the Department of Surgical Dentistry of the Belarusian State Medical University, Minsk Pohodenko-Chudakova Irina O., MD, Professor, Head of the Department of Surgical Dentistry of the Belarusian State Medical University, Minsk

Experimental research in evaluation of pure titanium as optimum implant material in reconstructive surgery of traumatic defects of facial skull and cerebral cranium bones

Цель исследования. Разработать методы возмещения травматических дефектов костей лицевого и мозгового черепа с помощью перфорированных пластин из чистого титана у кроликов в эксперименте.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования проведены на однополых кроликах (самцах) породы шиншилла (n=40, 2450-2550 г) в возрасте 6 месяцев. Созданы 3 серии: 2 опытные серии и контрольная серия. В обеих опытных сериях моделировали дефекты угла и ветви нижней челюсти, а также лобной кости. Животным в первой и второй опытных сериях в область дефектов имплантировали перфорированные пластины из чистого титана. Общий срок эксперимента составил 3, 7, 14, 30, 90, 180 суток. У 4 кроликов (контрольная серия) моделировали дефекты угла и ветви нижней челюсти, лобной кости, без возмещения титановыми имплантатами (срок эксперимента составил 90 и 180 суток).

Результаты. Осложнений после имплантации титановых имплантатов во все сроки наблюдений нами не отмечено, что исключает погрешности в выборе тактики хирургического реконструктивного лечения, что обусловлено адекватным выбором имплантата, оптимальным интраоперационным моделированием последнего, безупречным выполнением нюансов хирургического вмешательства. В тканях организма не было обнаружено ни одного осложнения в виде периимплантита из-за механической перегрузки имплантата или его дестабилизации. В указанные сроки изучения не было выявлено признаков реактивного воспаления в тканях организма на имплантат и хронического продуктивного воспаления. Вокруг имплантатов в окружающих тканях отсутствовали макрофагальные клетки инородных тел.

Заключение. Результат эксперимента подтверждает, что разработанные методы для возмещения травматических дефектов костей лицевого и мозгового черепа с помощью перфорированных пластин, а также способ фиксации имплантата к кости позволяет обеспечить биологическую роль в процессе остеоинтеграции в системе «кость - имплантат», предупреждая развитие осложнений. Ключевые слова: дефект кости, нижняя челюсть, лобная кость, титан чистый, система «кость - имплантат», биологическая фиксация.

Современная стоматология. — 2018. — №1. — С. 65-69.

Objective. Formulation of traumatic defects of facial skull and cerebral cranium bones reparation methods with the help of perforated plates of pure titanium in an experiment on rabbits.

Materials and methods. Experimental research was conducted on same-sex rabbits (males) of Chinchilla breed (n=40, weight 2450-2550 g) at the age of 6 months, three groups were created: 2 experimental groups and a validation one. In both experimental groups mandibular angle and mandibular ramus bone defects were modeled as well as defects of frontal bone. Perforated plates of pure titanium were implanted into animals of the first and second experimental groups. Total time of experiment amounts to 3, 7, 14,30,90,180 days. Four rabbits (the validation group) had mandibular angle, mandibular ramus bone and frontal bone defects modeled without reparation with titanium implants (total time of experiment amounts to 90 and 180 days).

Results. There were no complications after implantation of titanium implants during all periods of examination, what proves that tactics of reconstructive surgical treatment was chosen correctly which was determined by an adequate choice of implant, its optimum intraoperative modeling, impeccable performance of surgical intervention. Macroscopic examination of animals from both main experimental groups showed that with the implant present in the organism we cannot find any complications such as periimplantitis caused by mechanical overload of the implant or its destabilisation. In stated time periods we did not identify reactive inflammation in body tissues as well as signs of chronic productive inflammation. There were no foreign matter macrophage cells in tissues surrounding implants.

Conclusion. The result of the experiment confirms formulated methods of traumatic defects of facial skull and cerebral cranium bones reparation with the help of perforated plates, and also the type of implant fixation in the bone, which provides biological role in osseointegration process in "bone - implant" system, preventing development of complications.

Keywords: bone defect, mandible, frontal bone, pure titanium, "bone - implant" system, biological fixation. Sovremennaya stomatologiya. — 2018. — N1. — P. 65-69.

Историческое наследие транс-плантационно-имплантационных эпох отразило тернистый путь научного поиска многих поколений ученых, хирургов. Практическое использование появляющихся материалов вносило свои коррективы как в материальную основу, так и в технологию их получения и клиническое использование. Отвечая требованиям современной биоимплантологии, используемый материал должен быть биосовместимым и не вызывать отторжения организмом. Существенное значение имеет механические, химические и физические свойства материала. При этом реакция организма не должна противоречить безопасной и эффективной работе используемого материала -имплантата.

Новые возможности возникли благодаря внедрению медицинских технологий, связанных с применением имплантатов на основе титана, которые по механической характеристике приближаются к костной ткани и являются биосовместимыми [4, 8, 10]. Проведенное исследование было направлено на изыскание возможности практического использования чистого титана в качестве имплантационного материала и на определение степени его безопасности. Экспериментальная и клиническая медицина подтверждает приоритетность и социальную значимость такого научного подхода. Использование чистого титана в указанных целях - это новый этап в дальнейшем решении проблемы. Введение неправильно выбранного материала в организм нередко приводит к серьезным проблемам. В черепно-челюстно-лицевой хирургии часто возникает необходимость реконструктивного замещения травматических дефектов костей лицевого и мозгового черепа, разработки оптимального способа фиксации имплантата к костям. Несмотря на перспективность

его широкомасштабного применения, аспект фиксации такого имплантата требует научного изучения.

Цель исследования - разработать методы возмещения травматических дефектов костей лицевого и мозгового черепа с помощью перфорированных пластин из чистого титана у кроликов в эксперименте. Изучить возможность биологической фиксации титанового им-плантата к костям лицевого и мозгового черепа при возмещении травматических дефектов в условиях эксперимента, показать профилактическую значимость ее в предотвращении развития осложнений в процессе остеоинтеграции в системе «кость - имплантат».

Материалы и методы

Экспериментальные исследования были проведены на однополых кроликах (самцах) породы шиншилла (п=40, вес 2450-2550 г) в возрасте 6 месяцев, воспроизводимых в виварии Белорусского государственного медицинского университета. Экспериментальная работа выполнена по типу рандомизированного контролируемого слепого исследования, в котором данные собирались в ходе экспериментальных и контрольной серий. Распределение животных по сериям осуществляли, используя рандомизацию - метод последовательных номеров, выбранных из таблицы случайных чисел. Животных содержали в соответствии с нормативами индивидуального размещения при естественном световом дне, стандартных параметрах микроклимата.

В обеих сериях моделирование дефектов проводили в области угла и ветви нижней челюсти, лобной кости. Животным в опытных сериях в края дефектов указанных мест имплантировали перфорированные пластины из чистого титана. В контрольной серии животным имплантацию не осуществляли. Все

манипуляции проведены в соответствии с «Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или иных научных целях» [3].

Премедикация и оперативное вмешательство выполнены под внутривенным (вена ушной раковины) обезболиванием 1% раствором тиопентала натрия с расчетом объема раствора на массу кролика в дозе 30 мг/кг в 2 приема (двукратно) по половине дозы через 10 минут. Животных фиксировали на операционном столе, проверяя глубину наркоза по наличию рефлексов.

Подготовленный титановый имплантат (совместная научная разработка сотрудников кафедры хирургической стоматологии БГМУ и НПП «Струм», НИИ порошковой металлургии НАН Республики Беларусь). Перфорированные пластины из чистого титана ВТ1-00 (ГОСТ 19807-91 [6]; размером 100x75 мм, толщиной 0,34 мм, с отверстиями диаметром 2,5 мм, соотношением площади монолитного титана к площади перфорированных отверстий 3:2 (61:39%), весом 7,150 г) использовали для возмещения дефектов костей лицевого и мозгового черепа (рис. 1).

Замещение дефекта на нижней челюсти. После удаления шерстного покрова под- и позади нижнечелюстных областей операционное поле обрабатывали

Рис. 1. Перфорированные пластины из чистого титана ВТ1-00

Рис. 2. Этапы выполнения реконструктивной

70-градусным этиловым спиртом (рис. 2а). Лезвием выполняли окаймляющий полуовальный разрез в области угла нижней челюсти длиной 2,5 см с последующим тупым разведением кожи, фасции. Затем по краю угла нижней челюсти проводили периостомотомию с последующим скеле-тированием кости (рис. 2б). С помощью дисковой пилы моделировали краевой дефект прямоугольной формы размером 1,0x1,5 см (рис. 2в). В ходе операции осуществляли тщательный гемостаз диатермокоагуляцией и компрессией. Смоделированный титановый имплантат помещали на созданный костный дефект и его края (рис. 2г). Имплантат фиксировали к кости с помощью двух лигатур из хромированного кетгута 3/0 с прошиванием через надкостницу, мышцу, фасцию в состоянии Reins Formatio (физиологического натяжения) (рис. 2д). Операционную рану зашивали отдельными узловыми швами из монофиламентной анидной нити 1,5/0 (рис. 2е) [7]. Швы обрабатывали 1% раствором бриллиантового зеленого.

Замещение дефекта на лобной кости. При имплантации титановых пластин на лобную кость анестезию животного осуществляли аналогичным методом. После удаления шерстного покрова в лобно-теменной области операционное поле обрабатывали 70-градусным этиловым спиртом. Лезвием бритвы выполняли U-образный разрез кожи, клетчатки, фасции с формированием кожно-фасци-

Щ

ж I

\

Р - «А

ального лоскута, вершиной, обращенной к области носа (рис. 3а). Затем аналогичным по форме разрезом выполняли пери-остомотомию с обнажением поверхности лобной кости и формированием перио-стального лоскута (рис. 3б). С помощью дисковой пилы моделировали дефект кости квадратной формы размером 1,5x1,5 см (рис. 3в). В ходе операции осуществляли тщательный гемостаз диатермокоагуляцией и компрессией. Дном смоделированного дефекта лобной кости была твердая мозговая оболочка, которая в процессе образования дефекта не подвергалась механическому повреждению. После инстилляции твердой мозговой оболочки и всей операционной раны 0,05% водным раствором хлоргексидина биглюконата титановый имплантат размером 2x2 см помещали на дефект кости и края его с последующей фиксацией прошиванием надкостницы крестообразными швами из хромированного кетгута 3/0 (рис. 3г, д). Имплантат фиксировали в состоянии физиологического натяжения (Reins Formatio) [5]. На кожу краев операционной раны накладывали отдельные узловые швы из анидной нити 1,5/0 [7], которые обрабатывали 1% раствором бриллиантового зеленого (рис. 3е).

В процессе операции имплантационное ложе адаптировали под интраоперацион-ный смоделированный имплантат. Щеле-

вые пространства между имплантатом и костью в обеих опытных сериях животных заполнялись собственными окружающими тканями животного, операционная рана послойно зашивалась.

С целью профилактики чистого обезвоживания (инфекционных осложнений) в послеоперационном периоде всем животным первой и второй опытных серий внутрибрюшинно вводили по 200 мл изотонического раствора хлорида натрия и антибиотик цефотаксим 2 раза в сутки в дозе 0,2 мл/кг (внутримышечно), после операции кроликов обеих опытных серий помещали в термостатируемый бокс для создания оптимальных условий для восстановительного периода. Швы снимали после заживления раны через 8-10 дней.

Для оценки биологической инертности перфорированных пластин из чистого титана нами использован комплекс тестов, рекомендованных для определения биосовместимости материалов и изделий медицинского назначения в соответствии с инструкцией 1.1.10-1241-2006 «Гигиеническая оценка изделий медицинского назначения медицинской техники и материалов» [1, 2].

Сроки выполненного эксперимента составили 3, 7, 14, 30, 90, 180 суток. В каждый указанный срок была взята кровь для биохимического исследования сыворотки на иммуноглобулин А, костную щелочную фосфатазу и кальций.

операции на нижней челюсти

Рис. 3. Этапы выполнения реконструктивной операции на лобной кости

Морфологическое исследование

Для макроскопической оценки местной реакции тканей, кроликов седировали тиопенталом натрия (30 мг/кг - 1% раствора через вену ушной раковины). Затем по операционным рубцам проводили разрезы, осторожно препарируя зону расположения имплантата, тем самым создавая визуальный доступ для оценки состояния внутренних слоев дермы, подкожной клетчатки, твердой мозговой оболочки, прилегающих к имплантату. Раскрытую зону тканей фотографировали с помощью цифровой камеры.

Местное и системное действие имплантированных пластин из чистого титана определяли путем морфологического исследования мягких и костных тканей, прилегающих к имплантатам, а также общую реакцию тканей организма на имплантат.

Извлеченный тканевой материал вместе с имплантатом и фрагменты печени, легких, почек, селезенки и сердца фиксировали в 10% нейтральном формалине. Перед проводкой через спирты титановый имплантат извлекали, мягкотканый материал и фрагменты внутренних органов заливали в парафин. Костные фрагменты декальцинировали насыщенным 5% водным раствором сернистой и азотной кислот в течение 2 суток, обезвоживали в спиртах и заливали в парафин.

С целью изучения морфологической характеристики процесса вживления чи-

стого титана в кости лицевого и мозгового черепа при устранении травматических дефектов участки нижней челюсти и лобной кости, с фиксированными к ним перфорированными титановыми пластинами, выпиливали, осторожно выделяя из окружающих мягких тканей.

Обработку костных образцов, изготовление костных шлифов, их окраску толуи-диновым синим, основным фуксином и светлым зеленым проводили по методике А. К^ага, К. Маптой, Т Suestsugu [9]. Материал фиксировали 10% буферным раствором формалина под отрицательным давлением (750 мм рт.ст.) в течение 3 суток. Полную сушку осуществляли в вакууме 24 часа. Окончательная подготовка блоков включала заливку каждого из них в эпоксидную смолу с последующей экспозицией в вакууме до прекращения выделения пузырьков газа. После полной полимеризации смолы из блоков изготавливали тонкие срезы с помощью алмазной пилы до необходимой толщины, возможной для световой микроскопии.

Биохимическое исследование

Для забора крови на каждый срок из вены ушной раковины использовали пробирки 10,0 мл, 95х16,8 мм с активатором свертывания ИМ-7.

После забора пробирку с кровью однократно перевертывали для более полного контакта крови с активатором свер-

тывания. После завершения процесса свертывания крови в течение 30 минут при комнатной температуре в вертикальном положении пробирки, центрифугировали 15 минут с ускорением 3000 об/ мин (центрифуга ОПН-8, 1,000-8,000 оборотов/мин (±10%), зав. №1635) для максимального отделения сыворотки от сгустка. Затем сыворотку перемещали в коническую пробирку (ПК-1,5 объем 1,5 мл) и помещали в морозильную камеру при температуре -70°С.

В эксперименте исследовали уровни иммуноглобулина А, костной щелочной фосфатазы и кальция до операционного вмешательства и спустя 3, 7, 14, 30, 90, 180 суток. Для этих целей использовали специальные наборы реактивов для определения уровней иммуноглобулина А в сыворотке крови кролика (DRG, США), наборы реагентов для определения уровня содержания кальция и активности щелочной фосфатазы в сыворотке крови (АнализМедПром, Беларусь).

Результаты и обсуждение

Каких-либо осложнений после имплантации титановых имплантатов во все сроки наблюдений нами не отмечено. Полученные результаты подтверждают отсутствие погрешности в выборе тактики хирургического реконструктивного лечения, что обусловлено адекватным выбором имплантата, оптимальным интраоперационным моделированием

последнего, безупречным выполнением нюансов хирургического вмешательства. Макроскопическое наблюдение за животными в обеих основных опытных сериях показало, что в процессе пребывания имплантата в тканях организма не обнаружено ни одного осложнения в виде периимплантита из-за механической перегрузки имплантата или дестабилизации его. В указанные сроки изучения не выявили признаков реактивного воспаления в тканях организма на имплантат и хронического продуктивного воспаления. Вокруг имплантатов в окружающих тканях отсутствовали макрофагальные клетки инородных тел. Во всех сроках наблюдений в обеих экспериментальных сериях случаев реимплантации не было. Через 90 и 180 суток после моделирования дефектов угла и ветви нижней челюсти и лобной кости у кроликов контрольной серии в структуре таких дефектов вокруг смещенных костных отломков возникли плотные рубцово-фиброзные сращения, которые приводят к рассасыванию тонких костных краев, тем самым увеличивая размеры дефектов.

Применяемые перфорированные пластины из чистого титана осторожно осво-

ЛИТЕРАТУРА

1. Гигиеническая оценка изделий медицинского назначения, медицинской техники для их изготовления: Инструкция, 1.1.10-12-41-2006. - Минск.

2. ГОСТ ИСО 10993-2002. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий.

3. Европейская конвенция о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях. EST №23 от 18.03.1986 г. -Страсбург, 1986. - 14 с.

4. Левченко О.В. // Нейрохирургия. - 2010. - №2. - С.5-13.

5. Патент 21162 BY МПК A 61B 17/03, A 61F 2/28, A 61L 27/06. Способ краниопластики / И.О. Походенько-Чудакова, О.П. Чудаков, Се Сюйкай. - Опубл. 30.06.2017.

6. Титан и сплавы титановые деформируемые: марки. - М., 1991. - 7 с.

7. Чудаков О.П. // Сб. мед. научн. конф. Пермского мед. инст. - Пермь. -1966. - С.90-93.

8. Iriyanov YM., Chernov V.P, Radchenko S.A., Chernov A.V. // Bull. Exp. Biol. Med. - 2013. - Vol.155, N4. - P.518-521.

9. Kihara A., Morimoto K., Suetsugu T. // J. Oral. Implantol. - 1989. - Vol.15, N2. - P.87-94.

10. Leventhal G.S. // J. Bone Joint Surg. Am. - 1951. - Vol.33, N2. - P.473-474. REFERENCES

1. Gigiyenicheskaya otsenka zdeliy meditsinskogo naznacheniya, meditsinskoy tekhniki dlya ikh zgotovleniya: Instruktsiya [Hygienic evaluation of medical devices, medical equipment for their manufacture: Instruction] 1.1.10-12-41-2006. Minsk. (in Russian). Этические аспекты. Все манипуляции проведены в соответствии с «Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или иных научных целях».

Адрес для корреспонденции 220116, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Дзержинского, 83, Белорусский государственный медицинский университет Кафедра хирургической стоматологии, тел.: +375 17 205 21 73 Чудаков Олег Порфирьевич, e-mail: surgstom@bsmu.by

черепа с помощью перфорированных пластин, а также способ фиксации им-плантата к кости, который обеспечивает биологическую роль в процессе остеоин-теграции в системе «кость - имплантат», предупреждая развитие осложнений.

Изучение морфологической характеристики процессов остеоинтеграции в системе «кость - имплантат» показало уникальные аспекты в реальной возможности биологической фиксации применяемых нами имплантатов: отсутствие изоляционной соединительной ткани оболочки вокруг имплантата без последующего фиброзирования, что создает возможность прорастания вновь молодого костного регенерата через перфорационные отверстия горизонтальной и вертикальной ориентации последующей оссификации вновь образованной кости, матрицей которой является сама перфорированная пластина.

Полученные результаты позволяют объективно рассматривать перфорированные пластины из чистого титана в качестве остеоиндуктивного материала в реконструктивной хирургии травматических дефектов костей лицевого и мозгового черепа.

2. GOST ISO 10993-2002. Izdeiiya meditsinskiye. Otsenka biologicheskogo deystviya meditsinskikh izdeliy [Medical products. Evaluation of biological effects of medical devices]. (in Russian).

3. Yevropeyskaya konventsiya o zashchite pozvonochnykh zhivotnykh, ispol'zuyemykh dlya eksperimentov Hi v inykh nauchnykh tselyakh [European Convention for the Protection of Vertebrates used for experiments or for other scientific purposes.]. EST №23 ot 18.03.1986. Strasburg, 1986, 14 p. (in Russian).

4. Levchenko O.V. Sovremennyye metody kranioplastiki [Modern methods of cranioplasty]. Neyrokhirurgiya, 2010, vol.2, pp.5-13. (in Russian).

5. Patent 21162 BY MPK A 61B 17/03, A 61F 2/28, A 61L 27/06. Sposob kranioplastiki [Method of cranioplasty]. I.O. Pokhoden'ko-Chudakova, O.P. Chudakov, Se Syuykay. Opubl. 30.06.2017. (in Russian).

6. Titan i splavy titanovyye deformiruyemyye: marki [Titanium and titanium alloys deformable: grades]. Vved. 01.07.92. M.: Izd-vo standartov, 1991, 7 p. (in Russian).

7. Chudakov O.P. O tkanevoy reaktsii organizma na anidnuyu ntt' kak shovnoy material [On the tissue reaction of the body to the anide thread as a suture material]. Sb. med. nauchn. konf. Permskogo med. inst. Perm', 1966, pp.90-93. (in Russian).

8. Iriyanov YM., Chernov VF, Radchenko S.A., Chernov A.V Plastic efficiency of different implants used for repair of soft and bone tissue defects. Bull Exp Biol Med. 2013, vol.155, no.4, pp.518-521.

9. Kihara A., Morimoto K., Suetsugu T. Improved method using a bubble-free adhesion technique for the preparation of semi-serial undecalcified histologic sections containing dental implants. J Oral Implantol, 1989, vol.15, no.2, pp.87-94.

10. Leventhal G.S. Titanium, a metal for surgery. J Bone Joint Surg Am, 1951, vol.33, no.2, pp.473-474.

Поступила 03.11.2017 г. Принята в печать 12.02.2018 г.

Address for correspondence

220116, Republic of Belarus,

Minsk, Dzerzhinsky Ave., 83,

Belarusian State Medical University

Department of Surgical Dentistry, phone: +375 17 205 21 73

Chudakov Oleg, e-mail: surgstom@bsmu.by

бождали от костных структур кроликов, с помощью метода световой микроскопии изучали поверхности пластин. Во всех исследуемых сроках каких-либо механических повреждений в виде царапин, трещин не обнаружили, признаков игольчатой, горизонтальной коррозии на поверхностях перфорированных пластин из чистого титана не выявили.

Исследованные имплантаты из чистого титана являются биосовместимыми, токсикологически безопасными, не обладают гемолитическим, местно раздражающим, цитотоксическим воздействием, аллер-гизирующим свойством, не оказывают системное токсическое влияние, не вызывают воспалительной, альтернативной, фиброзной реакции окружающих тканей, создают оптимальные условия для процесса остеоинтеграции в системе «кость -имплантат», тем самым подтверждая соответствие требованиям к изделиям медицинской техники и медицинского назначения.

Заключение

Результат эксперимента подтверждает целесообразность разработанного метода для возмещения травматических дефектов костей лицевого и мозгового