Физические свойства и элементный состав костной ткани после воздействия импульсным низкочастотным ультразвуком

Научные МССЛЕДШАШЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КОСТНОЙ ТКАНИ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМ НИЗКОЧАСТОТНЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ

Ивашенко С.В., Остапович А.А., Чекан В.А.

Белорусский государственный медицинский университет, Минск Институт порошковой металлургии, Беларусь, Минск

Ivashenko S.V., Ostapovich A.A., Chekan V.A.

The Belarusian State Medical University. Minsk Institute of Powder Metallurgy, Belarus, Minsk

Physical properties and elemental composition of bone tissue, after exposure of pulsed low frequency ultrasound

Резюме. Изучены физические свойства и элементный состав костной ткани нижней челюсти кроликов после воздействия импульсным ультразвуком частотой 22, 44, 60 кГц. Ключевые слова: импульсный низкочастотный ультразвук, костная ткань, кальций, фосфор, сканирующая электронная микроскопия. Summary. Were studied physical properties and elemental content of bone tissue of lower jaw of rabbits after exposure of pulsed low-frequency ultrasound of frequency 22, 44 and 60 kHz. Keywords: pulsed low frequency ultrasound, bone tissue, calcium, phosphorus, scanning electron microscopy.

Несмотря на успехи, достигнутые в ортодонтии, проблема лечения зубочелюстных аномалий и деформаций у взрослых требует дальнейшего усовершенсвования. За консультативной и специализированной помощью с такими патологиями обращается до 40% пациентов [6]. Для ускорения активного периода орто-донтического лечения в сформированном прикусе необходимо локально повысить пластичность и податливость костной ткани альвеолярных отростков челюстей, воздействуя на межклеточный матрикс. Добиться этого можно инвазивными и не-инвазивными методами, вызвав структурную перестройку костной ткани и снизив содержание ионов кальция и фосфора, входящих в состав кристаллов гидрокси-апатита [2, 5, 6, 8]. С этой целью применяется низкочастотный ультразвук, который оказывает выраженное воздействие на костную ткань [7]. Непрерывный ультразвук с частотой 22-100 кГц способствует уменьшению содержания кальция в 1,72,17 раза как в компактной пластинке, так и в губчатом веществе. Аналогично снижается уровень фосфора: в 1,7-2,2 раза [4]. Однако мы не встретили данных о влиянии на костную ткань импульсного ультразвука низкой частоты.

Цель исследования - оценка физических свойств и минерального состава костной ткани нижней челюсти кроликов, подвергшихся воздействию импульсным ультразвуком низкой частоты. Материалы и методы Эксперимент проведен на 23 кроликах породы шиншилла, самцах одинакового веса и возраста: 18 опытных и 5 контроль-

ных. Опытных животных разделили на три группы. В первой, второй и третьей группах проводили озвучивание костной ткани и слизистой альвеолярного отростка нижней челюсти в области центральных резцов импульсным ультразвуком частотой 22, 44 и 60 кГц по 5, 10 и 15 процедур соответственно. Период воздействие/пауза составил 5/5 секунд, интенсивность озвучивания 0,4 Вт/см2, длительность процедуры до 10 минут. Для проведения эксперимента использовали разработанный нами аппарат низкочастотной ультразвуковой терапии «АНУЗТ-1-100» ТУЛЬПАН.

Животные находились на стандартном рационе вивария. После окончания эксперимента животных выводили из опыта под наркозом [3]. Брали озвученный участок нижней челюсти в области резцов с наружной, внутренней компактной пластинкой и губчатым веществом, фиксировали в 10%-ном растворе формалина. Отделяли фрагмент компактной пластинки и губчатого вещества для исследования размером 5x8 мм. Испытание образцов костной ткани на сжатие проводили по ГОСТ 4651-82 в Институте порошковой металлургии на машине !п$1гоп-1195. Высоту, ширину и толщину образца костной ткани измеряли с погрешностью не более 0,01 мм не менее чем в трех местах. Для удобства образцу придавали форму параллелограмма с размером грани 5x8 мм. Испытания проводили в условиях кондиционирования по ГОСТ 12423-66 при температуре (23±2) °С и относительной влажности (50±5)%. Устанавливали образец между

опорными площадками так, чтобы вертикальная ось образца совпадала с направлением действия нагрузки. Регулировали машину до соприкосновения образца с площадками. Устанавливали выбранную скорость сближения опорных площадок. Машину приводили в действие и записывали значения определяемых показателей или кривую «нагрузка - деформация» при сжатии.

Разрушающее напряжение при сжатии (а ) вычисляли в МПа по формуле: аср = F/Ac, где F - нагрузки, соответствующие вычислению, Ао - площадь минимального начального сечения образца, мм2.

Элементный состав определялся на сканирующем электронном микроскопе «CamScan 4» с энергодисперсионным микрорентгеноспектральным анализатором «INCA 350» (Англия). Минимальный предел обнаружения элемента - 0,5%. Точный количественный анализ - при содержании элемента от 1%. Разрешающая способность данного СЭМ по паспорту - 40 А. Глубина проникновения электронного пучка в образец - 1 мкм, область возбуждения - 0,5 мкм. Погрешность метода - 3-5 отн. %. Изучали пять произвольно выбранных участков компактной и губчатой костной ткани (рис. 1-4).

Результаты исследования обработаны с помощью прикладных программ Statis-tica 6.0 и Microsoft Excel с вычислением средней арифметической (m), медианы, верхнего и нижнего квартилей, критериев достоверности Манна-Уитни (U), вероятности достоверности сравниваемых величин (p). Различия рассматривались как достоверные при p<0,05 [1].

Рис. 1. Электронное изображение компактной пластинки костной ткани. Контроль

Рис. 3. Электронное изображение компактной пластинки костной ткани. Опыт, импульсный НУЗТ, 22 кГц, 10 процедур

Результаты и обсуждение

Данные исследования образцов костной ткани челюстей кроликов на сжатие приведены в табл. 1. Максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, у всех образцов различна. Так, по сравнению с контролем, у кроликов, подвергшихся воздействию импульсным ультразвуком частотой 22 кГц, этот показатель меньше в 1,59 раза, частотой 44 кГц - в 1,77 раза, частотой 60 кГц - в 1,95 раза.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, у всех образцов также различно.

По сравнению с контролем, у кроликов, подвергшихся воздействию импульсным ультразвуком частотой 22 кГц, этот показатель меньше в 1,78 раза, частотой 44 кГц -в 2 раза, частотой 60 кГц - в 2,23 раза.

С увеличением частоты озвучивания прочностные показатели костной ткани уменьшаются. Как видно из представленных в табл. 2 данных, после 5 процедур воздействия импульсным ультразвуком частотой 22 кГц содержание кальция в компактной пластинке озвученного учас-

Рис. 2. Электронное изображение губчатого вещества костной ткани. Контроль

Рис. 4. Электронное изображение губчатого вещества костной ткани. Опыт, импульсный НУЗТ, 44 кГц, 10 процедур

Таблица 1 Показатели максимальной нагрузки и напряжения контрольных и опытных образцов костной ткани челюсти кролика

Образцы костной ткани Fmax, H аср, МПа

Контроль 291,63 (284,41;293,21) 289,75* 9,24 (9,05; 9,31) 9,20

Опыт, 22кГц 184,72 (177,15; 189,25) 183,71 5,14* (4,91; 5,47) 5,17

Опыт, 44кГц 165,12* (157,29; 169,08) 163,83 4,55* (4,37; 4,95) 4,62

Опыт, 60кГц 149,13* (141,48; 154,27) 148,29 4,12* (3,94; 4,29) 4,12

П р и м е ч а н и е : ^ - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению; аср- напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению; * - р<0,05 при сравнении с группой «контроль».

тка костной ткани снижается по сравнению с контролем в 1,23 раза и составляет 16,50 весовых процентов (р<0,05). В дальнейшем эта разница увеличивается с увеличением количества процедур. Так, после 10 процедур озвучивания среднее содержание кальция уменьшилось до 14,29 весовых процентов, что в 1,42 раза ниже контрольного значения, после 15 физиопроцедур содержание кальция составило 11,56 весовых процентов, что ниже контрольного значения в 1,76 раза (р<0,05). Концентрация кальция в компактной пластинке контрольной группы составила 20,3 весовых процентов.

Аналогично уменьшается содержание фосфора в компактной пластинке. Так, этот показатель изменился от 11,45 весовых процентов в контрольной группе до 8,77 весовых процентов после 5 процедур озвучивания, что отличается в 1,3 раза. После 10 процедур концентрация фосфора составила 7,55 весовых процентов, что меньше контроля в 1,52 раза. После 15 процедур содержание фосфора в компактной пластинке уменьшилось по сравнению с контрольным значением в 1,8 раза, до 6,37 весовых процентов (р<0,05).

Также уменьшается содержание кальция и фосфора в губчатом веществе костной ткани. Концентрация кальция в губчатом веществе контрольной группы составила 15,1 весовых процентов, после 5 процедур озвучивания уменьшилась до 11,27 весовых процентов, что в 1,34 раза ниже контрольного значения. После 10 физиопроцедур концентрация кальция снизилась до 9,74 весовых процентов, что в 1,55 раза меньше, чем в контроле (р<0,05). После 15 процедур содержание кальция в губчатом веществе отличалось от контрольного значения в 1,81 раза и составило 8,34 весовых процентов.

Одновременно в губчатом веществе отмечается снижение уровня фосфора. Контрольное значение составило 10,63 весовых процентов. После 5 процедур озвучивания концентрация фосфора уменьшилась в 1,39 раза по сравнению с контролем, до 7,65 весовых процентов. После 10 процедур этот показатель уменьшился до 6,34 весовых процентов, что в 1,68 раза ниже контрольного значения (р<0,05). После 15 физиопроцедур снижение содержания фосфора в губчатом веществе продолжилось и составило 5,75 весовых процентов, что в 1,85 раза меньше, чем в контроле.

Данные элементного состава образцов костной ткани животных после воздействия импульсным ультразвуком частотой 44 кГц представлены в табл. 3.

Таблица 2

Содержание (в весовых процентах) кальция и фосфора в образцах костной ткани при озвучивании импульсным ультразвуком частотой 22 кГц

Группа Статистические показатели Компактная пластинка Губчатое вещество

Са Р Са Р

5 процедур Медиана Квартиль Среднее 16,36* (15,97; 16,90) 16,50 9,09* (8,51; 9,10) 8,77 11,32* (10,65; 11,93) 11,27 7,34* (7,22; 8,32) 7,65

10 процедур Медиана Квартиль Среднее 14,12* (13,97; 14,61) 14,29 7,64* (7,12; 7,97) 7,55 9,78* (9,47; 9,88 ) 9,74 6,12* (6,11; 6,98) 6,34

15 процедур Медиана Квартиль Среднее 11,30* (11,01; 12,11) 11,56 6,13* (5,89; 6,98) 6,37 8,22* (7,91; 8,82) 8,34 5,35* (5,22; 6,18) 5,75

Контроль Медиана Квартиль Среднее 20,37 (19,67; 20,81) 20,30 11,25 (11,21; 11,93) 11,45 15,35 (14,69; 15,38) 15,10 10,35 (10,17; 11,14) 10,63

П р и м е ч а н и е : здесь и в табл. 3 и 4 * - р<0,05 при сравнении с группой «контроль».

После 5 процедур озвучивания содержание кальция в компактной пластинке уменьшилось в 1,37 раза по сравнению с контрольной группой. После 10 процедур этот показатель уменьшился до 12,45 весовых процентов, что в 1,63 раза меньше контрольного значения. После 15 процедур концентрация кальция продолжила снижаться и составила 10,11 весовых процентов, что в 2,01 раза отличается от контроля.

Также в компактной пластинке статистически достоверно уменьшалась концентрация фосфора: до 8,14 весовых процентов после 5 процедур озвучивания, что в 1,41 раза меньше контрольного значения. После 10 процедур этот показатель снизился до 6,67 весовых процентов, что в

1,72 раза меньше, чем в контроле. После 15 процедур содержание фосфора продолжило снижаться до 6,03 весовых процентов, что в 1,90 раза меньше контрольного значения.

Аналогично снижается содержание кальция в губчатом веществе. После 5 процедур озвучивания этот показатель составил 10,56 весовых процентов, что в 1,43 раза меньше контрольного значения. После 10 процедур содержание кальция уменьшилось в 1,69 раза. После 15 процедур содержание кальция в губчатом веществе продолжило снижаться и составило 8,29 весовых процентов, что в 1,82 раза меньше, чем в контрольной группе.

Также в губчатом веществе при озвучивании снижалось содержание фосфо-

ра. После 5 процедур этот показатель составил 7,13 весовых процентов, что в

I,49 раза меньше контрольного значения. После 10 процедур этот показатель отличался от контроля в 1,78 раза. После 15 процедур концентрация фосфора продолжила снижаться до 5,63 весовых процентов, что в 1,89 раза ниже контрольного значения (р<0,05).

В табл. 4 представлены данные содержания кальция и фосфора в костной ткани после воздействия импульсным ультразвуком частотой 60 кГц. Концентрация кальция в компактной пластинке после 5 процедур озвучивания составила 14,31 весовых процентов, что в 1,42 раза ниже контрольного значения. Эта разница увеличивается с увеличением количества процедур. Так, после 10 процедур среднее содержание кальция в компактной пластинке уменьшилось до

II,73 весовых процентов, что в 1,73 раза ниже контрольного значения, а после 15 физиопроцедур составило 10,30 весовых процентов, что ниже контрольного значения в 1,97 раза (р<0,05).

Аналогично снижается содержание фосфора в компактной пластинке. После 5 процедур озвучивания этот показатель составил 7,86 весовых процентов, что в 1,46 раза меньше контрольного значения. После 10 процедур этот показатель отличался от контроля в 1,7 раза. После 15 процедур концентрация фосфора снизилась до 5,91 весовых процентов, что в 1,94 раза ниже контрольного значения (р<0,05).

Одновременно отмечается снижение уровня фосфора в губчатом веществе. После 5 процедур озвучивания концентрация фосфора статистически достоверно уменьшилась в 1,58 раза по сравнению с контролем и составила 6,73 весовых процентов. После 10 процедур этот показатель уменьшился до 5,81 весовых процентов, что в 1,83 раза ниже контрольного значения. После 15 физиопроцедур снижение содержания фосфора в губчатом веществе продолжилось и составило 5,31 весовых процентов, что в 2 раза меньше, чем в контроле.

Аналогично уменьшается содержание кальция в губчатом веществе костной ткани. Так, после 5 процедур озвучивания этот показатель уменьшился до 10,01 весовых процентов, что в 1,5 раза ниже контрольного значения. После 10 физиопроцедур концентрация кальция снизилась до 8,78 весовых процентов, что в 1,72 раза меньше, чем в контроле. После 15 процедур озвучивания содержание кальция в губчатом веществе отличалось от контрольного значения в 1,88 раза (р<0,05).

Таблица 3

Содержание (в весовых процентах) кальция и фосфора в образцах костной ткани при озвучивании импульсным ультразвуком частотой 44 кГц

Группа Статистические Компактная пластинка Губчатое вещество

показатели Са Р Са Р

5 процедур Медиана 15,04* 8,12* 10,45* 6,74*

Квартиль

Среднее 14,82 8,14 10,56 7,13

10 процедур Медиана 12,54* 6,69* 8,75* 5,90*

Квартиль

Среднее 12,45 6,67 8,93 5,98

15 процедур Медиана 10,05* 6,23* 8,34* 5,38*

Квартиль

Среднее 10,11 6,03 8,29 5,63

Контроль Медиана 20,37 11,25 15,35 10,35

Квартиль

Среднее 20,30 11,45 15,10 10,63

Научные М©©ЛЕЙ@ВАНИЯ

Таблица 4

Содержание (в весовых процентах) кальция и фосфора в образцах костной ткани при озвучивании импульсным ультразвуком частотой 60 к1ц

1руппа Статистические Компактная пластинка Губчатое вещество

показатели Ca P Ca P

5 процедур Медиана 14,22* 7,89* 9,55* 6,45*

Квартиль

Среднее 14,31 7,86 10,01 6,73

10 процедур Медиана 11,67* 6,75* 8,92* 5,61*

Квартиль

Среднее 11,73 6,70 8,78 5,81

15 процедур Медиана 10,38* 6,17* 8,01* 5,98*

Квартиль

Среднее 10,30 5,91 7,99 5,31

Контроль Медиана 20,37 11,25 15,35 10,35

Квартиль

Среднее 20,30 11,45 15,10 10,63

На основании данных проведенного исследования можно сделать выводы:

1. Воздействие импульсным ультразвуком низкой частоты приводит к снижению прочностных показателей костной ткани. Его результаты возрастают с увеличением частоты озвучивания и количества процедур.

2. С ростом количества процедур озвучивания импульсным ультразвуком низкой частоты во всех опытах уменьшилось содержание кальция и фосфора в компактной пластинке и губчатом веществе костной ткани.

3. Воздействие импульсным ультразвуком низкой частоты приводит к

локальной деминерализации костной ткани и повышению ее пластичности, что позволяет рекомендовать этот метод для оптимизации ортодонтическо-го лечения зубочелюстных аномалий и деформаций в сформированном прикусе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гланц С. Медико-биологическая статистика: пер. с англ. - М.: Практика, 1998. - 459с.

2. 1унько И.И. Клинико-экспериментальное обоснование применения физиотерапевтических методов в комплексном лечении зубочелюстных аномалий сформированного прикуса: автореф. дис. д-ра мед. наук. - Минск,2004. - 43с.

3. Западнюк И.П., Западнюк В.И., Захария Е.А. Лабораторные животные. Разведение, содержание, использование в эксперименте: учеб.пособие. - Киев: Вища школа, 1974. - 304 с.

4. Ивашенко С.В., ЧеканВ.А. // Мед. журн. - 2009. -№ 1. - С.35-38.

5. Наумович С.А. // Здравоохранение Беларуси. -1994. - №6. - С.12-15.

6. Наумович С.А. Повышение эффективности комплексного (ортопедо-хирургического) лечения аномалий и деформаций зубочелюстной системы в сформированном прикусе: автореф. дис. ...д-ра мед. наук. -Минск, 2001. - 42 с.

7. Улащик В.С. // Вопр. курортологии, физиотерапии и леч. физкультуры. - 2000. - №6. - С.3-8.

8. HeybeliN. et al. // Ultrasound Med. - 2002. - Vol.21, №12. - P.1357-1363.

Поступила 27.01.2012

УРОВЕНЬ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ЖИТЕЛЕЙ г. МИНСКА БИОЭЛЕМЕНТАМИ, ФОРМИРУЮЩИМИ ТВЕРДЫЕ ТКАНИ ЗУБА

Гресь Н.А., Музыкантова В.А., Шипитиевская И.А., Сокол В.П., Заяц Н.И., Гресь Н.В.

Белорусский государственный медицинский университет, Минск 14-я Центральная районная поликлиника Партизанского района г. Минска Институт физико-органической химии НАН Беларуси Белорусский государственный технологический университет

Gres N.A., Muzykantova V.A., Shipitiewskaya I.A., Sokol V.P., Zayac N.I., Gres N.V.

Belarusian State Medical University, Minsk Central District Polyclinic №14 of Partizanski District, Minsk Institute of Physical and Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus

Belarusian State Technological University

Level of provision of the citizens of Minsk with bioelements forming hard tooth tissues

Резюме. Проведено исследование химического состава эмали интактных постоянных зубов и волос у 86 жителей г. Минска методами атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой и сканирующей электронной микроскопии с волнодисперсионным химическим анализом. Данные сопоставлены с уровнем содержания микроэлементов, формирующих твердые ткани зубов, в питьевой воде и почве. В объектах окружающей среды и организме обследованных выявлен дефицит фтора, стронция, фосфора и калия при оптимальном и избыточном уровне кальция и магния.

Ключевые слова: зубы, эмаль, волосы, вода, почва, микроэлементы, спектроскопия.

Summary. Chemical composition of enamel of intact permanent teeth and hair has been studied in 86 citizens of Minsk. Methods of nuclear emission spectrometry with inductively coupled plasma and scanning electronic microscopy with dispersion chemical analysis were used. The data correlated wtth the level of microelements forming hard tooth tissues in drinking water and soil. Deficient content of fluorine, strontium, phosphorus and potassium wtth optimal and excessive calcium and magnesium content has been revealed in the objects of the environment and in the body of the examined people.

Keywords: teeth, enamel, hair, water, chemical elements, spectroscopy.