Металлоконструкция для интрамедуллярного остеосинтеза трубчатых костей

Область техники
Полезная модель относится к области травматологии, ортопедии и ветеринарии, а именно к металлоконструкции для интрамедуллярного остеосинтеза трубчатых костей, и может быть использована при проведении лабораторных исследований для оценки терапевтического эффекта нанесенных на поверхность конструкции лекарственных веществ в части ускорения регенерации костной ткани, а также при лечении переломов костей у животных. Уровень техники
В настоящее время для лечения переломов трубчатых костей широко используют титановые металлоконструкции для фиксации костных отломков. В дополнение к, этим методикам нередко применяют консервативные (лекарственные) способы стимулирования регенерации костной ткани. Причем, некоторые из этих лекарственных веществ наиболее целесообразно применять локально для получения максимально выраженного основного эффекта вещества непосредственно на поврежденную костную ткань. При этом также достигается минимизация побочных эффектов лекарственных препаратов, обусловленных их системным действием на другие органы и ткани. Одним из наиболее рациональных способов адресной доставки лекарств в зону перелома является нанесение этих веществ на поверхность металлоконструкции, используемой для остеосинтеза. В частности, таким способом предлагается применять клетки крови или костного мозга (патент РФ №2576807, патент РФ №2545993), соли некоторых металлов: цинка, висмута, галлия, серебра, меди, циркония и т.д. (патент РФ №2651463, патент РФ №2669808, патент РФ №2217104), антибиотики (патент РФ №2592367), а также бисфосфонаты (патент РФ №2562596; патент РФ №2562596; М.В. Лекишвили, Е.Д. Склянчук, А.Ю. Рябов, Ю.Б. Юрасова, А. А. Очкуренко. Местное применение бисфосфонатов при металлоостеосинтезе. Краткий литературный обзор // Технологии живых систем. 2014. Т. 11, №1. С. 46-53; Gao Y. и др. The effect of surface immobilized bisphosphonates on the fixation of hydroxyapatite-coated titanium implants in ovariectomized rats // Biomaterials. 2009. №9 (30). P. 1790-1796). Причем последнюю группу средств для нанесения на металлоконструкции используют наиболее часто, поскольку эти лекарства, предназначенные для подавления функции остеокластов в поврежденной кости, при системном применении (например, через рот или инъекционно) вызывают большое количество побочных эффектов на другие органы и ткани и к тому же быстро выводятся, что вынуждает их назначать слишком часто.
Для стандартизированной оценки эффективности лекарственных средств, наносимых на металлоконструкции в отношении ускорения регенерации поврежденной костной ткани, а также для оценки степени безопасности подобного способа применения этих лекарств, необходимы эксперименты на лабораторных животных. Наиболее удобным и распространенным экспериментальным объектом для решения обозначенной задачи являются мелкие грызуны и, в первую очередь, лабораторные крысы.
Известные варианты металлоконструкций с нанесенным лекарственным веществом, применяемые для лечения переломов трубчатых костей у лабораторных крыс, обычно представляют собой интрамедуллярное устройство (штифт, имплант, спица), вводимое в костномозговой канал (Greiner S. и др. Local application of zoledronic acid incorporated in a poly(D, L-lactide) - coated implant accelerates fracture healing in rats // Acta Orthopaedica. 2008. Vol. 79. P. 717-725; Back D. и др. Effect of local zoledronate on implant osseointegration in a rat model [Электронный ресурс] // BMC Musculoskeletal Disorders. 2012. URL: http://www.biomedcentral.com/1471-2474/13/42 (дата обращения: 5.12.2018); Gao Y. и др. The effect of surface immobilized bisphosphonates on the fixation of hydroxyapatite-coated titanium implants in ovariectomized rats // Biomaterials. 2009. №9 (30). P. 1790-1796). Общими недостатками подобных конструкций является вероятность их миграции, ненадежная фиксация костных отломков, а также некоторое неудобство в процессе введения и, особенно, на этапе экстракции конструкций из костномозгового канала. Кроме того, в большинстве случаев интрамедуллярное устройство предлагается вводить не на всю длину костномозгового канала, что не обеспечивает фиксации отломков и ограничивает площадь поверхности для нанесения лекарства.
Известно применение для остеосинтеза спицы Киршнера с нанесенным лекарственным веществом, вводимой на всю длину костномозгового канала трубчатой кости лабораторного животного (Greiner S. и др. Local application of zoledronic acid incorporated in a poly (D, L-lactide)-coated implant accelerates fracture healing in rats // Acta Orthopaedica. 2008. Vol. 79. P. 717-725; Back D. и др. Effect of local zoledronate on implant osseointegration in a rat model [Электронный ресурс] // BMC Musculoskeletal Disorders. 2012. URL: http://www.biomedcentral.com/1471-2474/13/42 (дата обращения: 5.12.2018)).
В патенте РФ на полезную модель №103720 предлагается металлоконструкция для остеосинтеза в виде спицы спиралевидной формы, один конец которой загнут с образованием ручки. Приведенная конструкция частично решает указанные выше проблемы, однако ее использование не совсем удобно и травмоопасно для окружающих мягких тканей.
Наиболее близким аналогом полезной модели является металлоконструкция для интрамедуллярного остеосинтеза трубчатых костей, раскрытая в патенте РФ на полезную модель №94444. Конструкция выполнена в виде вводимого в костномозговой канал штифта, имеющего резьбовые участки. Однако, известное устройство не совсем удобно для введения и извлечения при совершении вращательных движений, не обеспечивает достаточно надежную фиксацию, а также имеет небольшую площадь поверхности для нанесения лекарственных веществ.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей заявленной полезной модели является устранение недостатков аналогов и разработка конструкции, которая обладает более высокой надежностью фиксации, удобством и эффективностью применения, а также позволяет более точно оценить эффект от локального применения лекарственных веществ.
Технический результат полезной модели заключается в ускорении регенерации тканей в зоне перелома.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что металлоконструкция для интрамедуллярного остеосинтеза трубчатых костей содержит штифт с резьбовым участком, выполненный с возможностью введения в костномозговой канал на всю его длину, при этом на конце указанного штифта размещена головка с канавкой для вращающегося инструмента, резьбовой участок выполнен на всей длине штифта, а на поверхность штифта нанесено покрытие, повышающее адгезию к лекарственным средствам.
Кроме того, предусмотрены частные варианты реализации полезной модели, согласно которым:
- канавка для инструмента выполнена в виде шлица,
- штифт и головка выполнены из биосовместимого сплава на основе титана.
покрытие, повышающее адгезию к лекарственным средствам, выполнено в виде пористого кальций-фосфатного покрытия.
покрытие, повышающее адгезию к лекарственным средствам, выполнено из гидроксиапатита.
металлоконструкция выполнена с возможностью установки в костномозговой канал лабораторного животного для экспериментальной оценки терапевтического эффекта нанесенного на ее поверхность лекарственного вещества в отношении ускорения регенерации костной ткани при смоделированном дырчатом переломе.
металлоконструкция выполнена с возможностью установки в костномозговой канал животного для лечения перелома трубчатой кости.
Заявленная конструкция, вводимая на всю длину костномозгового канала, надежно фиксирует поврежденную кость и препятствует полному поперечному перелому со смещением отломков.
В отличие от аналогов, конструкция имеет резьбовой участок, выполненный по всей длине штифта, головку с канавкой, а также адгезионное покрытие. Выполнение резьбы на всей длине штифта позволяет повысить надежность фиксации устройства, препятствуя его самопроизвольной миграции, а также является дополнительным фактором мобилизации остеогенной активности стволовых клеток за счет усиления механического воздействия на костный мозг. Кроме того, резьба позволяет увеличить площадь поверхности для нанесения лекарственного средства, что в свою очередь способствует более быстрому зарастанию перелома. Применение адгезионного покрытия также повышает эффективность доставки лекарственных средств к тканям. Наличие головки с канавкой для вращающегося инструмента упрощает введение конструкции в костномозговой канал и извлечение устройства из него, а также снижает риски повреждения костной ткани.
Таким образом, все указанные признаки полезной модели направлены на достижение указанного технического результата, заключающегося в ускорении регенерации тканей в зоне перелома.
Приведенные частные варианты реализации полезной модели также направлены на достижение этого результата. В частности, наличие шлицевой канавки облегчает применение инструмента, а использование пористого кальций-фосфатного покрытия в виде гидроксиапатита ускоряет процесс зарастания тканей даже без применения лекарственных средств. Однако приведенные частные случаи не являются единственно возможными вариантами воплощения полезной модели. При этом технический результат полезной модели достигается и без применения указанных дополнительных особенностей.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фигуре 1 показана конструкция заявленного устройства;
на фигуре 2 показана фотография устройств, используемых для эксперимента;
на фигуре 3 показана схема установки устройств при проведении эксперимента;
на фигуре 4 показаны рентгенограммы переломов при проведении эксперимента;
на фигуре 5 показан график прироста костной ткани по неделям для разных групп эксперимента.
Осуществление полезной модели
Заявленное устройство (фиг. 1) представляет собой металлоконструкцию в виде винта, включающего штифт (1), а также головку (2), расположенную на заднем конце штифта (по отношению к направлению введения штифта в костномозговой канал). Длина и диаметр штифта подбирается с учетом длины и диаметра костномозгового канала исследуемой трубчатой кости. Штифт должен быть введен на всю длину костномозгового канала. При этом на всей длине штифта (1) имеется резьбовой участок (3). В головке выполнена канавка (4) для использования вращающегося инструмента, которая, предпочтительно, представляет собой шлиц. На переднем конце штифта (1) также может быть выполнен наконечник (5) в виде цилиндрического участка меньшего, чем штифт, диаметра, на который не нанесена резьба. Указанный наконечник (5) облегчает введение штифта в костномозговой канал.
Штифт (1) и головка (2) выполняются из медицинского сплава титана, обладающего биосовместимостью с окружающими тканями. Как правило, используют разрешенные в области хирургии, нейрохирургии и стоматологии сплавы титана марок ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, 6, ВТ16. Наиболее доступным по цене является сплав ВТ1-0, обладающий средними механическими характеристиками. Упрочнение данного сплава до уровня характеристики стали может быть достигнуто специальной механической холодной прокаткой, а также введением в его состав 0,4 мас. % кислорода. Биологическая совместимость всех вариантов этого сплава с человеческими тканями вполне сопоставима.
Для локального остеогенного действия на поврежденную костную ткань на поверхность штифта (1) или всей металлоконструкции наносят покрытие, повышающее адгезию к лекарственным средствам. В предпочтительном варианте реализации полезной модели указанное покрытие представляет собой пористое кальций-фосфатное покрытие из гидроксиапатита. Указанное соединение в случае локального применения способно существенно ускорить оссификацию, становясь матрицей для формирующейся новой костной ткани. При этом наличие пор создает дополнительные возможности для нанесения лекарственных веществ, способных локально ускорять регенерацию костной ткани. Возможно использование других вариантов адгезионных покрытий
Покрытие, повышающее адгезию к лекарственным средствам, наносят одним из известных способов:
- анодирование импульсным током в условиях искрового разряда в растворе фосфорной кислоты (см., например, патент РФ №2291918).
- анодирование импульсным или постоянным током в условиях искрового разряда (см. патент РФ №2221904),
- распыление материала покрытия в плазме высокочастотного магнетронного разряда в атмосфере аргона (патент РФ №2523410),
- возбуждение на поверхности изделия микродуговых разрядов (патент РФ №2206642)
- гальваническое нанесение покрытия (см. патент РФ №2617252)
- послойное напыление плазменным методом системы биосовместимых покрытий из смеси порошков титана или гидрида титана и гидроксиапатита кальция (патент РФ №2525737),
- плазменное напыление гидроксиапатита (см. Gao Y. и др. The effect of surface immobilized bisphosphonates on the fixation of hydroxyapatite-coated titanium implants in ovariectomized rats // Biomaterials. 2009. №9 (30). P. 1790-1796.)
Для дополнительного нанесения лекарственных веществ на пористую поверхность предлагаемой конструкции наиболее целесообразно воспользоваться достаточно распространенной методикой вымачивания (см. Aberg J., Brohede U., Mihranyan A. et al. Targeted local delivery of bisphosphonate from orthopaedic implants // Key Engineering Materials (Ed. Prado M. and Zavaglia C). 2008. Bioceramics 21. P. 543-546. Aberg J., Brohede U., Mihranyan A. et al. Bisphosphonate incorporation in surgical implant coatings by fast loading and co-precipitation at low drug concentrations // J. Mater Sci Mater Med. 2009. Vol 20, №10. P. 2053-2061; Gao Y. и др. The effect of surface immobilized bisphosphonates on the fixation of hydroxyapatite-coated titanium implants in ovariectomized rats // Biomaterials. 2009. №9 (30). P. 1790-1796).
В случае экспериментальной оценки локального применения вещества в отношении ускорения регенерации поврежденной костной ткани при проектировании формы и прочих особенностей металлоконструкции следует еще учитывать способ моделирования перелома трубчатой кости, а также способы оценки терапевтического эффекта нанесенных препаратов. В большинстве исследованных источников предлагаются различные варианты поперечного перелома, которые трудно стандартизировать (патент РФ №2456927, патент РФ №2323694, патент РФ №2490721, патент РФ №2576807, патент РФ №2644279, авторское свидетельство СССР №547211; Шилин В.А., Сафронов А.А., Кожанова Т.Г. Стимуляция репаративного остеогенеза в эксперименте на модели ложного сустава у крыс // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. №3 (178). С. 218-221; Коваленко А.Ю., Кезля О.П. Изучение в эксперименте специфического действия лекарственного препарата на основе нанокристаллического «геля гидроксиапатита» при переломе длинной трубчатой кости // Медицинский журнал. 2010. №4. С. 109-114; Кулик В.И. Комплексное лечение открытых диафизарных переломов костей голени (экспериментально-клиническое исследование): автореф. дис…. канд. мед. наук. СПб., 1992). В связи с этим для получения наиболее корректных результатов при применении предлагаемой конструкции следует воспользоваться методикой сквозного дырчатого перелома, которая согласно результатам анализа открытых и запатентованных источников представляется наиболее стандартизированным и удобным способом моделирования дефекта трубчатой кости (Модина Т. Н., Маклакова И. С, Круглова И. С. Влияние композиционных материалов на регенерацию костной ткани в условиях экспериментального костного дефекта // Пародонтология. 2013. Т. 18. №4. С.23-27; Поворознюк В. В., Макогончук А. В. Влияние системного остеопороза на репаративную регенерацию костной ткани [Электронный ресурс] // Травма. 2 013. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-sistemnogo-osteoporoza-na-reparativnuyu-regeneratsiyu-kostnoy-tkani (дата обращения: 05.12.2018); Хасанов А.Г., Каюмов Ф.А., Мельникова А.В. Медицинский вестник Башкортостана. 2008. Т. 3. №1. С. 42-45; патент РФ №2421467).
Методики оценки эффективности препаратов, наносимых на металлоконструкцию для остеосинтеза, зачастую достаточно сложны и нередко осуществимы лишь при посмертном исследовании животного (пуш-аут тест, иммуногистохимия и пр.) (Astrand J., Aspenberg Р. Topical, single dose bisphosphonate treatment reduced bone resorption in a rat model for prosthetic loosening // J. Orthop Res. 2004. Vol. 22, №2. P. 244-24 9; Xue Q., Li H., Zou X. et al. Healing properties of allograft from alendronate-treated animal in lumbar spine interbody cage fusion // European Spine J. 2005. Vol. 14, №3. P. 222-226; Jakobsen Т., Kold S., Bechtold J.E. et al. Effect of topical alendronate treatment on fixation of implants inserted with bone compaction // Clinical Orthopaedics and Related Research. 2006. N. 444. P. 229-234; Soballe K., Chen X., Jensen T.B. et al. Alendronate treatment in the revision setting, with and without controlled implant motion: an experimental study in dogs // Acta Orthopaedica. 2007. Vol. 78, №6. P. 800-807; Gao Y. и др. The effect of surface immobilized bisphosphonates on the fixation of hydroxyapatite-coated titanium implants in ovariectomized rats // Biomaterials. 2009. №9 (30). P. 1790-1796). В связи с этим наиболее удобным методом оценки терапевтического воздействия лекарственных средств, нанесенных на предлагаемую металлоконструкцию, в плане ускорения процесса регенерации костной ткани можно считать цифровую рентгенографию, позволяющую производить точные количественные измерения без нанесения ущерба здоровью лабораторному животному (патент РФ №2576807; патент РФ №2521344; Шилин В.А., Сафронов А.А., Кожанова Т.Г. Стимуляция репаративного остеогенеза в эксперименте на модели ложного сустава у крыс // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. №3 (178). С. 218-221; Попков А.В., Попков Д.А и др. Стимуляция репаративной регенерации костной ткани при диафизарных переломах (экспериментальное исследование) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. №9 (ч. 1). С.82-88; Greiner S.H., Wildemann В., Back D.A. et al. Local application of zoledronic acid incorporated in a poly (D, L-lactide) coated implant accelerates fracture healing in rats // Acta Orthopaedica. 2008. Vol. 79, №5. P. 717-725; Back D. и др. Effect of local zoledronate on implant osseointegration in a rat model [Электронный ресурс] // BMC Musculoskeletal Disorders. 2012. URL: http://www.biomedcentral.com/1471-2474/13/42 (дата обращения: 5.12.2018); Greiner S. и др. Local application of zoledronic acid incorporated in a poly (D, L-lactide)-coated implant accelerates fracture healing in rats // Acta Orthopaedica. 2 008. Vol. 79. P. 717-725; Tanzer M., Karabasz D., Krygier J.J. et al. Bone augmentation around and within porous implants by local bisphosphonate elution // Clinical Orthopaedics and Related Research. 2005. Vol.441. P. 30-39).
Преимущество применения предлагаемой конструкции заключается в обеспечении в условиях эксперимента возможности проведения точной количественной оценки локального остеогенного влияния нанесенного лекарственного вещества по динамике ускорения зарастания костного дефекта методом цифровой рентгенографии.
Пример.
Апробация предлагаемой конструкции проводилась на 18 беспородных белых крысах самцах массой 290-320 г. Для эксперимента были изготовлены 12 металлоконструкций из медицинского сплава титана марки ВТ1-0 с пористым покрытием из гидроксиапатита. Размеры конструкций были определены исходя из размеров бедренной кости крыс, отобранных для проведения опыта: длина штифта (1) составляла 30,7 мм, диаметр штифта - 1,6 мм, длина головки (2) - 4,3 мм, диаметр головки - 3,5 мм. Половина приготовленных металлоконструкций была обработана раствором золедроновой кислоты (препарат «резокластин», фармакологическая группа - бисфосфонаты), нанесенной на поверхность методом вымачивания (Фиг. 2).
Первоначально у всех крыс, находящихся в состоянии наркоза с применением ветеринарного препарата «золетил», был сформирован дырчатый перелом диафиза бедренной кости диаметром 1,4 мм при помощи спицы Киршнера и шуруповерта. Далее крысы были разбиты на 3 группы по 6 особей. Первой группе животных в бедренную кость на всю длину костного канала вводили титановую металлоконструкцию с дополнительным нанесением золедроновой кислоты. Оперативный доступ для введения металлоконструкций в бедренную кость крысы осуществлялся со стороны коленного сустава (Фиг. 3). Второй группе крыс аналогичным способом в костный канал бедренной кости вводили металлоконструкцию без нанесения лекарственного препарата. Третья группа животных была контрольной и лечения не получала. Изменение скорости восстановления костной ткани контролировалось методом цифровой рентгенографии по уменьшению зоны костного дефекта, частоте полных заращений перелома к концу эксперимента. Рентгенография производилась на 1-е сутки, через 2, 3 и 4 недели после формирования экспериментального перелома. Обработка цифровых снимков и необходимые измерения проводились при помощи компьютерной программы Radiant DICOM Viewer (Фиг. 4)
Результаты проведенного эксперимента продемонстрировали наибольшую эффективность метода лечения с применением бисфосфонатов, нанесенных на поверхность заявленной металлоконструкции, как по показателям скорости прироста поврежденной костной ткани, так и частоте полных заращений костного дефекта. Введение в костномозговой канал предлагаемой металлоконструкций без нанесения лекарственного вещества вызывало достоверное увеличение скорости прироста костной ткани по сравнению с контролем, (см. Табл. 1 и Фиг. 5).
Таблица 1. Сравнительная характеристика эффективности применения предлагаемой металлоконструкции с нанесением золедроновой кислоты при экспериментальном дырчатом переломе бедренной кости у белых крыс.
Заявленная конструкция пригодна для применения не только для экспериментальных целей, но и для проведения операций по остеосинтезу в случае перелома трубчатых костей у мелких домашних животных в условиях ветеринарной клиники. При этом возможность прижизненной или посмертной экстракции конструкции позволяет использовать ее повторно.