Изучение степени интеграции мягких тканей в элементы из углерод-углеродного композитного материала в зоне перехода внутренней и наружной среды при имплантации эндо-экзопротезов

Орипнальы досл1дження

Original Researches

УДК 616-089.843-018:615.461]-07 DOI: 10.22141/1608-1706.1.18.2017.95589

Масленников С. О., Головаха М.Л., Черный В.Н.

Запорожский государственный медицинский университет, г. Запорожье, Украина

Изучение степени интеграции мягких тканей в элементы из углерод-углеродного композитного материала в зоне перехода внутренней и наружной среды при имплантации эндо-экзопротезов

Резюме. Каждый год в Украине выполняется около 600 ампутаций на уровне бедра, требующих дальнейшей реабилитации в виде протезирования утерянной конечности. Стандартным методом крепления протеза к культе бедра является фиксация гильзы протеза вокруг культи. Гильза обеспечивает передачу нагрузки, стабильность и эффективный контроль над протезом. Однако этот метод фиксации часто упоминается как неудовлетворительный из-за ряда осложнений, таких как язвы и раздражения кожи, потливость в гильзе, невозможность ходить по пересеченной местности, ненадлежащий контроль над протезом, снижение диапазона движений бедра и боли в области культи. Альтернативным решением является перкутанное крепление протеза ноги к бедренной кости с помощью остеоинтегрированных имплантатов. Использовались интрамедуллярные стержни с титановым напылением, соединенные с наружным блоком посредством замка, накрытого силиконовой прокладкой, выполняющей функцию разграничения внутренней среды от внешней, что часто приводило к инфекционно-воспалительным осложнениям. Поиск материалов для решения этих проблем остановился на углеродных материалах, в том числе углерод-углеродных композитных материалах (УУКМ), которые являются относительно новыми конструкционными материалами в практике ортопедии. Их успешно используют при остеосинтезе и эндопротезировании костей благодаря комплексу необходимых физико-механических и химических свойств. Целью данной работы было установить степень интеграции мягких тканей и, в частности, кожного покрова в УУКМ. Экспериментальным путем, с использованием лабораторных животных, проведен гистоморфологический анализ изменений тканей в области контакта с имплантатом. Доказана биоинертность материала, а также обоснована перспективность применения имплантатов из УУКМ как покрытия элементов конструкций эндо-экзопротезов для применения в реконструктивной травматологии и ортопедии.

Ключевые слова: ампутации; углерод-углеродный композитный материал; эндо-экзопротезирование

Травма

Введение

Каждый год в Украине выполняется около 600 ампутаций на уровне бедра, связанных с сосудистой патологией и осложнениями заболеваний сердечнососудистой системы. Основной причиной этих осложнений является атеросклероз, сахарный диабет, а в последние годы в связи с проведением АТО на Востоке страны участились травмы минно-взрывного характера, сопровождающиеся утратой конечностей. После операции относительно молодым и здоровым

пациентам обычно назначают протезирование конечности, которое представляет собой съемный протез, прикрепляемый к конечности при помощи гильзы. Стандартным методом крепления протеза к культе бедра является фиксация гильзы протеза вокруг культи. Гильза обеспечивает передачу нагрузки, стабильность и эффективный контроль над протезом. Однако этот метод фиксации часто упоминается как неудовлетворительный из-за ряда осложнений, таких как язвы и раздражения кожи, связанные с продолжи-

© «Травма», 2017 © Trauma, 2017

© Издатель Заславский А.Ю., 2017 © Publisher Zaslavsky O.Yu., 2017

Для корреспонденции: Масленников Сергей Олегович, кафедра травматологии и ортопедии, Запорожский государственный медицинский университет, пр. Маяковского, 26, г. Запорожье, 69035, Украина; факс: (061) 233-60-07; e-mail: travmatology1@i.ua

For correspondence: Sergey Maslennikov, Department of Traumatology and Orthopedics, Zaporizhia State Medical University, Mayakovsky avenue, 26, Zaporizhia, 69035, Ukraine; fax: (061) 233-60-07; e-mail: travmatology1@i.ua

тельным ношением протеза, трудности передвижения по пересеченной местности, ненадлежащий контроль над протезом, снижение диапазона движений бедра и боли в области культи, фантомные боли конечностей, боли в спине и боль в контралатеральной ноге. Из-за этих проблем гильзу можно носить только несколько часов в день. Гильза также уменьшает диапазон движения бедра, что приводит к дискомфорту во время сидения. Альтернативным решением является перкутанное крепление протеза ноги к бедренной кости с помощью остеоинтегрированных имплантатов. Подобные имплантаты были разработаны два десятилетия назад и с тех пор были использованы более чем у 100 пациентов [1]. Впервые концепция эндо-эк-зопротезирования была разработана и апробирована на больных в г. Любеке, Германия. Был использован интрамедуллярный стержень с титановым напылением, соединенный с наружным блоком посредством замка, накрытым силиконовой прокладкой, выполняющей функцию разграничения внутренней среды от внешней. В послеоперационном периоде было зарегистрировано несколько серьезных проблем этих имплантатов [2, 3]. Возникали инфекционные осложнения из-за открытого соединение между костью и внешней средой, а также повторные переломы костей

Рисунок 1. Экспериментальный эндо-экзо-протез с элементами из углерод-углеродного композитного материала

и имплантатов. Риск перелома повышался вследствие костного ремоделирования, во время которого происходил лизис дистальной части бедренной кости в сочетании с замедленной интеграцией костной и мягких тканей в материалы, из которых выполнен эн-до-экзопротез. Таким образом, актуальным является поиск новых материалов, удовлетворяющих требованиям эндо-экзопротезирования.

На базе кафедры травматологии и ортопедии Запорожского государственного медицинского университета разработано новое остеоинтегрированное устройство фиксации протеза, которое имеет улучшенные свойства распределения нагрузки, а несущие компоненты эндо-экзопротеза покрыты углерод-углеродным композитным материалом (УУКМ), что должно привести к сокращению времени процесса ремоделирова-ния кости, скорой интеграции тканей и уменьшению осложнений в послеоперационном периоде.

Выбор УУКМ был обусловлен его физико-химическими и механическими свойствами. Так, размер пор УУКМ в диапазоне от 12 до 20 мкм, что значительно превосходит таковой при напылении частиц титана 45—63 и 63—90 мкм, способствует более быстрой и плотной консолидации с окружающими тканями, ведет к снижению риска возникновения инфекционных осложнений. Поры и неровности материала заполняются костной тканью, обеспечивая имплантатам биологическую фиксацию с формированием прочного костно-углеродного блока [4—6]. Доказано, что имплантаты из УУКМ не уступают по своим механическим и биологическим характеристикам другим искусственным материалам и значительно ниже по себестоимости (табл. 1).

Биоинертность УУКМ и интеграция с костными тканями изучены в достаточной степени, но недостаточно известны гистоморфологические изменения в мягких тканях, в том числе фасции и коже при имплантации элементов на основе УУКМ [7—9].

Целью работы было изучить степень интеграции кожных покровов и общую реакцию мягких тканей при транскутанной имплантации элементов на основе УУКМ лабораторным животным для возмож-

Таблица 1. Сравнение углеродных имплантатов с альтернативными материалами

Название Характеристика~^^^^^ УУКМ Титановый имплантат Керамика, гидроксиапатит

Прочность Высокая Высокая Низкая

Прорастание костной тканью Да Нет Да

Применение магнитной томографии Да Ограничено Да

Применение при воспалительных заболеваниях Да Нет Н/д

Электростимуляция Да Нет Нет

Интраоперационная подгонка материала Да Нет Да

Оригшальы досл1дження / Original Researches

ности дальнейшего использования композитного материала в качестве покрытия блока эндо-экзо-протеза, соединяющего внутреннюю гильзу с наружным замком.

Материалы и методы

Исследование проводилось в соответствии с Законом Украины «О научной и научно-технической деятельности» и Конвенцией Совета Европы «О защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей» (Страсбург, 1985). Уход за животными осуществляли в соответствии с нормами и требованиями, разработанными согласно кодексу Совета Международных медицинских организаций «Международные рекомендации для проведения медико-биологических исследований с использованием животных». Эксперимент проводился на чистой линии крыс породы Rattus. Все животные представлены самками возрастом 12 мес., средняя масса — 187 ± 24 г. Эксперимент продолжался 6 мес. и включал в себя выведение крыс на разных сроках исследования: 14-е сутки (n = 3), 21-е сутки (n = 3), 45-е сутки (n = 3), 60-е сутки (n = 3) и 180-е сутки (n = 3) после имплантации. Всем животным под общим эфирным наркозом производилась экзартикуляция задней лапки на уровне коленного сустава. Графитовые имплантаты в виде стержней диаметром 1 мм и длиной 5 мм вводили в костномозговой канал бедренной кости. Формировали культю с возможностью выхода фрагмента имплантата через кожу наружу, кожа вокруг имплан-тата в месте его выхода ушивалась кисетным швом.

В течение эксперимента животные находились и питались в одинаковых условиях, не получали дополнительной медикаментозной терапии. Оценивались двигательные свойства прооперированной конечности (амплитуда движений, тонус мышц) и общей активности животных. Путем передозировки тиопенталовым наркозом животные выводились из эксперимента. Проводилась макроскопическая оценка препарата и забор материала в виде блока — стержень из УУКМ с окружающими тканями. Контроль проводили с симметричными участками здоровой, неоперированной конечности. Забор производился в течение первых 5 минут после забоя, и гистологические образцы помещались в раствор 10% формалина. Кусочки фиксировали в нейтральном формалине, обезвоживание проводили в восходящей батарее спиртов. Кусочки заливали в смесь парафина, каучука и воска в соотношении 20 : 1 : 1. Гистологические срезы толщиной 5—7 мкм окрашивали гематоксилином и эозином. В срезах оценивали наличие местной воспалительной реакции, состояние сосудистого русла, взаимодействие УУКМ с мягкими тканями.

Микроскопический анализ гистологических препаратов проводили при световой микроскопии на микроскопе «Биолам» («ЛОМО»). Для фотодокументации использовали цифровую видеокамеру Epson.

Результаты и их обсуждение

При макроскопическом исследовании в ранние сроки (14-е сутки после операции) выявлены выраженный отек мягких тканей, полнокровие сосудов, гиперемия вокруг имплантата. При микроскопическом исследовании отмечена усиленная миграция клеток крови, активация резидентных макрофагов и фибробластов в зону повреждения. Отмечается сформированный кровяной сгусток, который инициирует образование грануляционной ткани, способствует образованию мелких сосудов. Отмечалась выраженная воспалительная реакция, характеризующаяся повышением объема межклеточного вещества и стазом в капиллярах. Тканевые элементы дермы в стержне из УУКМ определялись на глубине 357,00 ± 48,25 мкм.

К 21-м суткам макроскопические проявления воспалительного ответа менее выражены, однако микроскопические признаки еще сохраняются. В составе формирующейся грануляционной ткани преобладал волокнистый соединительнотканный компонент с незначительным количеством макрофагов, фибробла-стов и тонкостенными новообразованными сосудами.

В процессе созревания грануляционной ткани отмечали выраженную пролиферацию компонентов соединительной ткани. Среди фибробластов преобладали зрелые клетки веретеновидной формы. Глубина локализации тканевых элементов дермы в толще УУКМ существенно не изменилась, однако отмечается прорастание соединительнотканных волокон в слое дермы.

Через 45 дней вокруг имплантатов на основе УУКМ формировалась капсула из рыхлой соединительной ткани при сохранении некоторых признаков хронического воспаления, число клеточных форм уменьшилось, отмечалось запустевание сосудов, очаги лимфо-цитарно-макрофагальной инфильтрации.

Через 60 дней после имплантации частички графита в большей степени определялись перивазально, в волосяных фолликулах (рис. 2), в составе соединительной ткани фасций (рис. 3, 4). Вокруг имплантата отмечалась хорошо сформированная соединительнотканная капсула, представленная преимущественно рыхлой соединительной тканью с клетками жировой ткани. Воспалительных инфильтратов вокруг фрагментов УУКМ не выявлено. Тканевые элементы дермы в стержне из УУКМ определялись на глубине 635,00 ± 79,25 мкм. Фиброзные волокна диф-фузно переплетаются в толще дермы, что свидетельствует об образовании прочного блока «имплантат — кожа» на границе перехода УУКМ через наружные покровы.

Через 6 месяцев после имплантации макроскопически отмечается пигментация кожи вокруг имплантата в месте его выхода через кожу шириной до 0,1 см. Микроскопически определялось замещение мышечной ткани соединительной и жировой. Фрагменты УУКМ расположены диффузно преимущественно в соединительной ткани пери- и эндомизия, перивазально (рис. 5). Стенки кровеносных сосудов утолщены, определяются расширенные перивазальные пространства. В дерме фрагменты УУКМ расположены диффузно (рис. 6, 7), в волосяных фолликулах (рис. 8), перивазально.

Рисунок 2. Фрагмент кожи крысы через 21 день после имплантации стержня из УУКМ в мягкие ткани: А — ок. х 10, об. х 10; Б — ок. х 10, об. х 40

Рисунок 3. Фрагмент мышечной ткани крысы через 21 день после имплантации стержня из УУКМ в мягкие ткани. Окраска гематоксилином и эозином. Ок. х 10, об. х 40

Рисунок 4. Фрагмент мягких тканей крысы через 60 суток после имплантации стержня из УУКМ в мягкие ткани. Окраска гематоксилином и эозином. Ок. х 10, об. х 40

Рисунок 5. Фрагмент мышечной ткани крысы через 180 дней после имплантации стержня из УУКМ в мягкие ткани. Окраска гематоксилином и эозином. Ок. х 10, об. х 40

Рисунок 6. Фрагмент дермы крысы через 6 месяцев после имплантации стержня из УУКМ. Окраска гематоксилином и эозином. Ок. х 10, об. х 40

Рисунок 7. Фрагмент дермы крысы

через 60 дней после имплантации стержня из УУКМ. Окраска гематоксилином и эозином.

Ок. х 10, об. х 40

Признаков локального воспаления вокруг фрагментов УУКМ не выявлено. Имеет место фиброз ткани (рис. 7), что проявляется преобладанием волокон, уменьшением доли межклеточного вещества, что, скорее всего, является проявлением общей реакции на фоне формирования культи после проведения ампутации и имплантации стержня из УУКМ. В регионарных и отдаленных лимфатических узлах фрагменты УУКМ не были обнаружены, основные органы и системы без изменений и соответствовали возрастным показателям.

Выводы

Таким образом, проведенный морфологический анализ реактивности мягких тканей крыс после транскутан-ной имплантации стержней на основе УУКМ характеризуется формированием плотной соединительнотканной капсулы, при этом фиброзные волокна диффузно переплетаются в толще дермы, клеточные элементы которой определяются в толще имплантата, что свидетельствует об образовании прочного блока имплантат — кожа на границе перехода УУКМ через наружные покровы. В отдаленные сроки эксперимента аллергических, токсических и мутагенных реакций не выявлено.

Углерод-углеродный композиционный материал может быть использован как покрытие несущих элементов эндо-экзопротеза в области контакта с мягкими тканями, а также в зоне перехода внутреннего компонента во внешний.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.

Рисунок 8. Волосяной фолликул крысы через 6 месяцев после подкожной имплантации

фрагмента УУКМ. Окраска гематоксилином и эозином. Ок. х 10, об. х 40

Список литературы

1. Test report on static load tests of a hip-prosthesis and on corrosion-fatigue tests of prosthesis made of CarBulat (carboncarbon composite) modelling its implantation into a human body /Register No: MEPR 4000-1/02, 2/02, 3/02, 4/02; 50001/02, 2/02. Miskolc, 2002.

2. Al Ruhaimi Kh.A. Bone graft substitutes comparative qualitative histologic review of current osteoconductive grafting materials / Kh.A. Al Ruhaimi // Intern. J. Oral Maxillofacial Implants. — 2001. — Vol. 16, № 1. — P. 105-114.

3. Determining optimal surface roughness of TiO2 blasted titanium implant material for attachment, proliferation and differentiation of cells derived from human mandibular alveolar bone [Text] / K. Mustafa, J. Wroblewski, B.S. Lopez et al. // Clinical Oral Implants Research. — 2009. — Vol. 12. — P. 515-525.

4. Оценка биосовместимости углерод-углеродного композиционного материала в эксперименте / О.А. Тяжелое, Н.А. Акушина, Г.В. Иванов [и др.] // Ортопед., травма-тол. — 2006. — № 4. — С. 47-50.

5. Новый имплантационный материал в лечении опухолей длинных костей (экспериментальное исследование) / Ю.А. Гребенюк, С.А. Ткаченко, Е.А. Солоницын // Травма. — 2008. — Т. 9, № 4.

6. Морфологические изменения в зоне имплантации углеродсодержащих материалов / В.Б. Соловьев, М.Г. Федорова, О.Д. Любченко, В.Ф. Татаринов, А. С. Купрюшин // Известия высших учебных заведений. По-волжскийрегион. Медицинские науки. — 2014. — №1(29). — С. 15-21.

7. Тяжелов А.А., Горидова Л.Д., Тарасенко В.И. Новый и имплантационный материал для замещения кост-

j Орипнальы досл1дження / Original Researches

ных дефектов // Укр. мед. альманах. — 2004. — № 3. — С. 116-121.

8. Тяжелое О.А., Ашукина Н.А, Иванов Г.В. Морфологические особенности регенерации кости при имплантации углеродного материала е эксперименте // Укр. мед. альманах. — 2005. — Т. 8, № 2. — С. 142-145.

9. Экспериментальное исследование процессов осте-оинтеграции имплантатов для наружного чрескост-ного остеосинтеза с различными биокомпозиционными

покрытиями / О.В. Бейдик, К.Г. Бутовский, В.Н. Ляс-ников [и др.] // Гений ортопедии. — 2002. — №4. — С. 80-88.

10. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль биологической фиксации и остеоинтеграции в реконструкции кости / Н.А. Корж, Л.А. Кладченко, С.В. Малышки-на, И.Б. Тимченко // Ортопед., травматол. — 2005. — № 4. — С. 118-127.

Получено 11.01.2017

Маслеников С.О., ГоловахаМ.Л., Чорний В.М.

Запорзький державний медичний университет, м. Запоржжя, Украина

Вивчення ступеня штеграцп м'яких тканин в елементи з вуглець-вуглецевого композитного матерiалу в зон переходу внутршнього та зовшшнього середовища

при iмплантацiï ендо-екзопротезiв

Резюме. Щороку в Украш виконуеться близько 600 ампута-цш на рiвнi стегна, що вимагае подальшо! реабштацп у виглядi протезування втрачено! юнщвки. Стандартным методом крь плення протеза до кукси стегна е фжсацы гшьзи протеза навко-ло кукси. Гшьза забезпечуе передачу навантаження, стабшь-нiсть i ефективний контроль над протезом. Однак цей метод фжсацп часто згадуеться як незадовшьний через низку усклад-нень, таких як виразки i подразнення шири, штливгсть у гшьз^ неможливiсть ходити по переиченш мiсцевостi, неналежний контроль над протезом, зниження дiапазону рух1в стегна i болi в дшянщ кукси. Альтернативним рiшенням е перкутанне крь плення протеза ноги до стегново! кустки за допомогою остео-iнтегрованих iмплантатiв. Використовувалися iнтрамедулярнi стрижш з титановим покриттям, поеднанi iз зовн1шн1м блоком за допомогою замка, накритого силжоновою прокладкою, що виконуе функцш розмежування внутрiшнього середовища вщ зовнiшнього, що часто призводило до шфекцшно-запальних

ускладнень. Пошук матерiалiв для виршення цих проблем зу-пинився на вуглецевих матерiалах, у тому чиот вуглець-вугле-цевих композитних матерiалах (ВВКМ), як1 е вщносно новими конструкцшними матерiалами в практицi ортопеда. 1х успiшно використовують при остеосиш^ та енIдопротезуваннi к1сток завдяки комплексу необхщних фiзико-механiчних i хiмiчних властивостей. Метою дано! роботи було встановити стушив ш-теграцп м'яких тканин i, зокрема шкурного покриву, в ВВКМ. Експериментальним шляхом, iз використанням лабораторних тварин, проведено гiстоморфологiчний аналiз змiн тканин в дiлянцi контакту з !мплантатами. Доведено бiоiнертнiсть ма-терiалу, а також обГрунтовано перспектившсть застосування iмплантатiв iз ВВКМ як покриття елементiв конструкцш ендо-екзопротезiв для застосування в реконструктивнiй травматологи та ортопедй.

Ключовi слова: ампутацй; вуглець-вуглецевий композитний матерiал; ендо-екзопротезування

S.O. Maslennikov, M.L. Golovakha, V.N. Chorniy Zaporizhia State Medical University, Zaporizhia, Ukraine

Study of the degree of integration of the soft tissue into the elements of carbon-carbon composite material in the transition zone of the external and internal environment during implantation

of endo-exoprosthetics

Abstract. Background. Thee alternative percutaneous prosthesis fixation to the femur using osseointegrated implants comes into common use. Nowadays there are used titanium-coated intramedullary nails united with an external unit by the lock, covered with a silicone gasket, differentiating internal and external environment, often resulting in infectious and inflammatory complications. The search for materials to solve these problems has fallen on carbon-carbon composites (CCC). The objective was to provide experimental basis of harmless carbon compound when interacting with the soft tissues of laboratory animals. Materials and methods. The experiment was performed on pure line rats Rattus. The experiment included the elimination of rats at different stages of study 14, 21, 45, 60 and 180 days (n = 3) after implantation. Carbon implants in the form of rods with a diameter of1 mm and length of 5 mm were administered into the medullary canal of the femur. A stump with access to a fragment

of the implant through the skin to the outside was formed. Results. At the initial terms of science experiment a typical exudative inflammatory reaction was marked, at the later stages — the formation of dense fibrous scar, with no signs of inflammation. There was tissue fibrosis that manifested a predominance of fibers, a decrease in the proportion of intercellular substance that was most likely a manifestation of a general reaction against the background of the formation of the stump after the amputation and implantation of a CCC rod. In the regional and distant lymph node no fragments of CCC were detected, the basic organs and systems unchanged and agreed with age indicators. Conclusions. Proved material bioinertia, as well as potential substantiate the use of implants as the coverage for pros-thetics structural elements.

Keywords: amputation; carbon-carbon composite material; endo-exoprosthesis