Способ формирования тканеинженерного композита костной ткани и надкостницы для реконструкции нижней челюсти
METHOD FOR FORMATION OF TISSUE-ENGINEERING COMPOSITE OF BONE TISSUE AND PERIOSTEUM FOR RECONSTRUCTION OF LOWER JAW

Изобретение относится к медицине, регенеративной медицине, конкретно к челюстно-лицевой хирургии и предназначено для повышения качества реконструкции нижней челюсти и челюстной кинематической пары.
Известен «Имплантат для замещения протяженных костных фрагментов сложной формы», содержит формоизменяемый опорный базис и скрепленный с ним элемент связи с окружающей тканью. Опорный базис выполнен в виде цилиндрической проволочной спирали, укрытой по всей длине проволочной сеткой. Просвет цилиндрической спирали заполнен гранулами пористого проницаемого никелида титана в качестве элемента связи с окружающей тканью. Патент на изобретение [«Имплантат для замещения протяженных костных фрагментов сложной формы». RU 2265417 C2, 15.01.2004]. Недостаток прототипа в том, что его применение не основано на принципах биомеханики, имеет целью замещение, а не реконструкцию костного фрагмента, указанные гранулы пористого проницаемого никелида титана в просвете цилиндрической спирали «в качестве элемента связи с окружающей тканью» не предусмотрены для взаимодействия с остеогенным регенератом, не предусматривает регенерацию периоста, последующего взаимодействия с окружающими сухожильно-мышечными структурами.
Наиболее близкий аналог: композитный эндопротез для реконструкции нижней челюсти, состоящий из опорного базиса, мыщелка, надкостницы и фиксатора выполненных из материалов никелида титана, предназначенных для замещения формообразующих и опорных дефектов нижней челюсти, замещения механических дефектов надкостницы и мыщелка, механического соединения эндопротеза со здоровым костным фрагментом. Патент на изобретение «Композитный эндопротез для реконструкции дефектов нижней челюсти». RU 2365357 C2, 27.08.2009.
Нами получены экспериментальные результаты, свидетельствующие о том, что биомеханизм репаративной регенерации резецированных фрагментов нижней челюсти кроликов реализуется по принципу реституции. [«Репаративная регенерация фрагментов нижней челюсти кроликов, резецированных в условиях эксперимента». Монография 35 стр. г. Омск. Изд. ООО «Образование Информ». 2021 г. Дюрягин Н.М. с соавт.]. При этом одновременно регенерируют: костная ткань, мышечно-сухожильные ткани, ткань надкостницы. После завершения регенерации костные фрагменты функционируют в режиме физиологической регенерации Результат эксперимента: через один год после операции на макропрепарате нижней челюсти определяются четкие признаки реституции резецированного фрагмента: оптимальная конфигурация, оптимальные биометрические данные, наличие суставной головки (Рис. 1. Реституция резецированного фрагмента). За последующие 4 года наблюдений эти результаты подтверждались методами МСКТ у всех животных экспериментальной группы (n=10). Это подтверждается данными динамики изменения плотности костной ткани на протяжении последующих 5 лет наблюдений (Таблица № 1. Показатели изменения плотности костной ткани регенератов и интактных фрагментов челюсти животных в единицах (HU), Me (Ql; Qh)).
Статистически значимых изменений показателей плотности костной ткани регенератов и интактных фрагментов в динамике наблюдения (1 год - 5 лет) в каждой конкретной зоне не выявлено (ANOVA Фридмана, χ2<9,4; p>0,052). Это означает, что в данных условиях оптимизации репаративной регенерации, в течение одного года получен окончательный реконструктивный результат равный реституции ветви челюсти. В последующий период наблюдений (4 года) минеральный состав регенерировавшей ветви челюсти находился в пределах нормы. Статья [«Тканеинженерные технологии реконструкции нижней челюсти». Институт Стоматологии //Научно-практический журнал № 2 (83) июнь 2019 г. СПБ. Стр. 44 - 46. Дюрягин Н.М. с соавт.].
Полученные данные легли в основу развития инновационных технологий в челюстно-лицевой хирургии. [заключение Этической Экспертизы № 12-06/2015]. В результате применения композитного эндопротеза RU 2365357 C2 по назначению, его механические свойства уменьшаются и исчезают по истечении максимум одного года. В области дефекта формируется тканеинженерный композит костной ткани и надкостницы, обладающий доминирующими свойствами зрелой костной ткани. Изделие, представленное в качестве эндопротеза дополняет в нем биомеханическую функцию гистерезисного матрикса межклеточных костных структур и соединительной ткани надкостницы [Этический Комитет ОмГМУ от 04.03.2016 г., протокол № 75].
Известно, что опорно-двигательный аппарат человека является композитной многотканевой координированной кинематической биомеханической системой, где композитная часть состоит из трех компонентов: пассивный - костный скелет и его соединения, активный - мышечно-сухожильные ткани, объединяющий - ткань надкостницы. Биомеханические дефекты после резекции ½ нижней челюсти с экзартикуляцией височно-нижнечелюстного сустава представляются в следующем составе: костной ткани, мышечной ткани, ткани надкостницы, разрушенный синостоз (неподвижное сочленение), разрушенный сустав (подвижное сочленение). В итоге одновременно повреждены все компоненты композитной части (5 наименований). По принципу реституции одновременно регенерируют все компоненты композитной части - ткани пассивных, активных и объединяющих структур (5 наименований). Известно, что биомеханический состав композита костной ткани содержит три основных компонента (фазы): пассивную - межклеточный матрикс, активную - остеоциты, объединяющую - эластиновые и коллагеновые волокна. По аналогии с композитным строением матриксов костной ткани и надкостницы выполнен композитный эндопротез для реконструкции нижней челюсти RU 2365357 C2, который содержит механические аналоги межклеточных матриксов этих тканей. Изделие, представляемое ранее в качестве эндопротеза на самом деле обладает качествами нерезорбируемого гистерезисного матрикса межклеточных костных структур и соединительной ткани надкостницы, имеет макропористую структуру. В реализации способа принимает участие генетический биомеханизм репаративной регенерации функционирующий в области резецированного фрагмента челюсти, куда оперативным путем помещают изделие из никелида титана (RU 2365357 C2), ушивают мягкие ткани. Остеогенный регенерат замещает область дефекта, при этом заполняет проницаемые поры конструкции. После минерализации регенерата техногенная структура становится составной частью костного межклеточного матрикса регенерировавшего фрагмента нижней челюсти. Регенерировавшие одновременно фрагменты тканей сухожилий и мышц прикрепляются к поверхности тканеинженерного композита при помощи надкостницы. Тканеинженерный композит костной ткани и надкостницы отличается от любого эндопротеза тем, что представляет собой фрагмент живой искусственной системы костной ткани и надкостницы, где костный матрикс имеет своем составе синергетически взаимодействующие с ним компоненты из материалов никелида титана, при этом свойства костной ткани и надкостницы доминируют, [статья «Создание биологических моделей гистерезисных живых систем костной ткани и надкостницы». БИОФИЗИКА. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК. Журнал Том 57 вып. 2 2012 Март-Апрель. Москва. Изд. Наука. С 377 - 382. Дюрягин Н.М]. Формообразующая и опорная части конструкции распределяются в составе межклеточного матрикса регенерировавшей костной ткани, функцию механического соединения тканеинженерного композита со здоровым костным фрагментом выполняет синостоз, функцию дефекта надкостницы выполняет регенерировавшая периостальная ткань.
При несоблюдении условий биометрического соответствия изделие окажется вне очага репаративной регенерации и его применение не будет иметь оптимальной реконструктивной эффективности.
При осуществлении изобретения выполняются следующие действия:
1. Лабораторный этап.
Необходимо наличие рентгенологического панорамного снимка нижней челюсти с признаками очага поражения костной ткани (Рис. 2. Очаг поражения тела нижней челюсти справа), индивидуального пластикового 3D стереолитографического прототипа верхней и нижней челюсти пациента. На прототипе нижней челюсти формируется дефект равный предполагаемому объему резекции костного фрагмента (Рис. 3. Статические модели дефектов челюсти). Создание статических моделей дефектов нижней челюсти на пластиковом стереолитографическом прототипе: 1. Модель здорового фрагмента после резекции. 2. Модель резецированного фрагмента с опухолью. 3. Модель разрушения синостоза. 4. Модель разрушения сустава (экзартикулированная суставная головка). С помощью указанного композитного изделия из никелида титана и пластикового прототипа здорового фрагмента моделируется кинематическое звено нижняя челюсть (Рис. 4. Модель реконструкции нижней челюсти). Статическая модель нижней челюсти из изделия никелида титана и пластикового прототипа: 1. Модель здорового фрагмента после резекции. 2. Модель замещения механических дефектов тела, ветви и надкостницы. 3. Модель механического соединения эндопротеза со здоровым костным фрагментом. 4. Модель механического замещения мыщелка (шейки и суставной головки), а затем кинематическая пара «нижняя челюсть - верхняя челюсть»). Механическая модель кинематической пары «нижняя челюсть - верхняя челюсть»: (Рис. 5. Модель челюстной кинематической пары). Статическая модель нижней челюсти (стрелка 1) припасована на прототипе верхней челюсти (стрелка 2). 3. Механическая модель височно-нижнечелюстного сустава (ямка+головка). 4. Модели челюстей установлены в ортогнатическом (физиологическом) прикусе). Изделие из никелида титана снимают с прототипа, подготавливают для имплантации, стерилизуют.
2. Хирургический этап.
Из соответствующего оперативного доступа выполняется резекция фрагмента челюсти в запланированном объеме. Изделие из никелида титана устанавливают в области истинного дефекта челюсти, укрывают мягкими тканями, ушивают.
3. Реабилитационный этап.
Продолжительность формирования тканеинженерного композита от 9 до 12 месяцев. Функциональную реабилитацию нижней челюсти и челюстной кинематической пары проводили методами механотерапии, дозированной артикуляционной и жевательной нагрузки.
Пример 1.
Пациентка К. 32 года. Диагноз: Нагноившаяся амелобластома с поражением тела и ветви нижней челюсти слева. (Рис. 2. Очаг поражения тела нижней челюсти справа). Активное клиническое проявление заболевания с 2010 года). Подготовлена и оперирована с применением представленного способа реконструкции в ЧЛХО ГБ № 11 в марте 2013 года в г. Омске. Послеоперационный период протекал благоприятно, выписана из стационара на 12 сутки.
Результаты МСКТ обследования и 3D цветной визуализации через 1 год: реконструирована кинематическая пара нижняя челюсть - верхняя челюсть.
Рис. 6. Боковая проекция: 1. дефекты тела, ветви и надкостницы замещены тканеинженерным композитом костной ткани и надкостницы (фрагмент), 2. реконструирован синостоз между здоровым фрагментом и костным компонентом тканеинженерного композита (синостоз), 3. реконструкция височно-нижнечелюстного сустава (тканеинженерная головка + естественная суставная ямка), (сустав).
Рис. 7. Поднижнечелюстная область: указаны расположены в соответствующих топографической локализации областях реструктурированные мышца дна полости рта, жевательная мышца.
Рис. 8. Фронтальный отдел лицевого черепа: 1. Реконструирован синостоз между здоровым фрагментом и костным компонентом тканеинженерного композита (синостоз). 2. Реструктурированная жевательная мышца располагается в типичном месте (жевательная мышца).
Данные обследования пациентки К. через 5 лет после операции теми же методами МСКТ и 3D цветной визуализации полностью идентичны выполненным через 1 год после операции.
Рис. 9. МСКТ рентгенограмма плоскости височно-нижнечелюстных суставов: искусственная суставная головка располагается в суставной ямке, дислокации нет, имеется суставная щель (1). Внутренняя часть спиралевидного корпуса плотно заполнена зрелой костной тканью (2). Собственная суставная головка (3) диспластически изменена), качество реконструкции удовлетворительное.
Пример 2.
Пациент Т. 40 лет. 2000 год. Диагноз: нагноившаяся амелобластома нижней челюсти от ветви справа до 36 зуба слева, двойной патологический перелом по углу справа, тела челюсти слева. После ряда безуспешных операций с применением моноструктурных эндопротезов подготовлен и оперирован в ГБ № 11, г. Омска в 2005 году.
Рис. 10. Рентгенограмма костей лицевого черепа. Красной линией выделены границы поражения нижней челюсти. Стрелка 1. патологический перелом ветви челюсти справа, стрелка 2. патологический перелом тела челюсти слева.
Рис. 11. Индивидуальная статическая модель кинематической пары нижняя челюсть - верхняя челюсть, боковая проекция.
Рис. 12. Индивидуальная статическая модель кинематической пары нижняя челюсть - верхняя челюсть, фронтальная проекция.
Рис. 13. Тотальный композитный эндопротез из материалов никелида титана в сборе, подготовлен к имплантации в область тотального дефекта нижней челюсти.
Рис. 14. Рентгенограмма фронтального отдела костей лицевого черепа через 10 дней после реконструктивной операции. Конструкция расположена оптимально, суставные головки мыщелков располагаются в суставных ямках височных костей.
Рис. 15. МСКТ 3D цветное изображение фронтального отдела лицевого черепа через 1 год после операции. Остеогенный регенерат заполняет проницаемые поры конструкции. (Горизонтальные цветные «усы» - это артефакты от металлических коронок.)
Рис. 16. МСКТ 3D цветное изображение бокового отдела лицевого черепа через 1 год после операции. Остеогенный регенерат заполняет проницаемые поры конструкции. (Горизонтальные цветные «усы» - это артефакты от металлических коронок.)
Рис. 17. МСКТ 3D черно-белое изображение бокового отдела лицевого черепа через 12 лет после операции. Остеогенный регенерат заполняет проницаемые поры конструкции. Признаков дислокации конструкции или вывиха суставных головок нет. 2017 год.
Рис. 18. МСКТ 3D черно-белое изображение фронтального отдела лицевого черепа через 12 лет после операции. Определяется остеогенный регенерат заполняющий проницаемые поры конструкции. Признаков дислокации конструкции нет. 2017 год.
Рис. 19. МСКТ 3D черно-белое изображение фронтального отдела лицевого черепа через 12 лет после операции. Плоскость изображения позволяет визуализировать оптимальное положение искусственных суставных головок в суставных ямках височно-нижнечелюстных суставов.
Пример 3.
Пациентка О. 50 лет, обратилась году по поводу нагноившейся амелобластомы нижней челюсти справа, подготовлена и оперирована в 2004 году в ГБ № 11 г. Омска.
Рис. 20. Панорамный рентгеновский снимок костей лицевого черепа. Ячеистая форма амелобластомы тела и ветви нижней челюсти справа. Красной линией обозначены границы оперативной резекции фрагмента с опухолью.
Рис. 21. Рентгенограмма реконструированной нижней челюсти через 10 суток после операции. Эндопротез (матричное композитное изделие) выполнялся в 2004 году, на основе антропометрических данных пациентки без пластикового прототипа ввиду отсутствия в регионе установки МСКТ диагностики. Конструкция расположена оптимально, проницаемые поры четко просматриваются.
Рис. 22. МСКТ 3D цветное увеличенное изображение бокового отдела лицевого черепа через 3 года после операции (2007 год). Остеогенный регенерат полностью заполняет проницаемые поры конструкции.
Рис. 23. МСКТ 3D черно-белое изображение бокового отдела лицевого черепа через 3 года после операции. Определяется остеогенный регенерат заполняющий проницаемые поры конструкции. Признаков дислокации конструкции нет. Прикус не изменен.
Рис. 24. МСКТ 3D цветное увеличенное изображение основания черепа и дна полости рта через 3 года после операции. Остеогенный регенерат заполняет проницаемые поры конструкции, оптимально адаптирован с окружающими мягкими тканями. Цифры 1 - реструктуризированная часть мышцы дна полости рта, 2 - реструктуризированная часть жевательной мышцы, 3 - реструктуризированные крыловидные мышцы.
Рис. 25. МСКТ 3D цветное увеличенное изображение внутренней поверхности реконструированной нижней челюсти через 3 года после операции. Остеогенный регенерат заполняет проницаемые поры конструкции. Синостоз между здоровым фрагментом челюсти и костным компонентом тканеинженерного композита (цифра 1) состоятелен.
Рис. 26. МСКТ 3D увеличенное черно-белое изображение бокового отдела лицевого черепа через 6 лет после операции. Фрагмент тканеинженерного композита, замещающий дефект нижней челюсти справа состоятелен, проницаемые поры конструкции заполнены зрелой костной тканью, признаков дислокации конструкции нет, прикус не изменен.
Рис. 27. МСКТ 3D цветное увеличенное фронтальное изображение лицевого черепа через 14 лет после операции (2018 год). Фрагмент тканеинженерного композита костной ткани и надкостницы оптимально замещает пострезекционный дефект нижней челюсти. Мышцы приводящие нижнюю челюсть развиты симметрично в равной степени.
Степень минерализации костной ткани определяли аналогичными экспериментальным, методами МСКТ (Табл. № 2. Показатели изменения плотности костной ткани регенератов и интактных фрагментов челюстей пациентов в единицах (HU), Me (Ql;Oh)). Физиологический уровень зрелости выше 200 HU. Динамика ежегодных изменений степени минерализации костных регенератов и здоровых фрагментов, синхронизация степени их активности указывают на участие в процессах реминерализации костной ткани.
За период с 2003 г. по настоящее время способ формирования тканеинженерного композита костной ткани и надкостницы применен у 35 пациентов, включая реконструкцию тотального дефекта челюсти, в 100% случаев получены аналогичные удовлетворительные реконструктивные результаты.
Вывод.
Представленные данные достоверны, а способ формирования тканеинженерного композита костной ткани и надкостницы для реконструкции нижней челюсти является инновационным и высокоэффективным.
Способ формирования тканеинженерного композита костной ткани и надкостницы для реконструкции нижней челюсти
Период тестирования
Зоны измерений
Интактная ветвь (контроль)
Регенерат
1 год
823,0 (584,5; 1111,5)
510,0 (365,0; 789,5) p=0,001*
2 года
866,5 (529,5; 1204,0)
610,0 (379,0; 943,5) p=0,047*
3 года
900,0 (526,5; 1004,0)
792,5 (532,0; 1064,5) p=0,89*
4 года
786,0 (529,5; 1007,0)
651,0 (427,5; 1041,0) p=0,036*
5 лет
975,0 (472,5; 1168,0)
696,0 (397,0; 762,5) p=0,011*
ANOVA Фридмана(n=32, df=4)
χ2 = 4,0;p=0,40
χ2 = 9,4; p=0,05
Таблица № 1.
Способ формирования тканеинженерного композита костной ткани и надкостницы для реконструкции нижней челюсти
Период тестирования
Серии измерений
Сравнение серий, критерий Манна-Уитни, p=
Контроль
Композит
1 год
433,5 (200; 998)
532,0 (226; 984)
0,027*
2 года
496,5 (210; 938)
622,0 (268; 973), p=0,35
0,046*
3 года
440,0 (209; 972)
650,0 (237; 997), p=0,67
0,004*
4 года
476,5 (218; 946)
544,5 (220; 912), p=0,07
0,47
5 лет
454,0 (214; 935)
480,5 (249; 858), p=0,56
0,70
6 лет
431,0 (205; 991)
641,5 (207; 984), p=0,042^
0,007*
7 лет
469,5 (227; 961)
470,0 (231; 976), p=0,014^
0,71
ANOVA Фридмана
Критерий χ2 (n=32, df=6) = 0,85; p=0,99
Критерий χ2 (n=32, df=6) = 17,9; p=0,006#
Таблица № 2.