Способ стимуляции репаративного остеогенеза при использовании изделий из наноструктурированного титана у животных
METHOD FOR STIMULATING REPARATIVE OSTEOGENESIS WHEN USING ARTICLES FROM NANOSTRUCTURED TITANIUM IN ANIMALS

Изобретение относится к стоматологии, а именно к челюстно-лицевой хирургии, и может быть использовано для стимуляции остеогенеза при лечении переломов нижней челюсти.
Среди повреждений костей челюстно-лицевой области наиболее часто встречаются переломы нижней челюсти, составляющие по данным отечественных и зарубежных клиник от 70% до 85% от общего числа повреждений костей лицевого скелета (Безруков В.М., Лурье Т.М. 2000). Несмотря на применение современных методов лечения, количество воспалительных осложнений при неогнестрельных переломах нижней челюсти остается высоким и варьирует от 5,5% до 41% (Титоренко А.В., Панин И.А. 1993). Частота осложнений при оперативном лечении переломов нижней челюсти по данным различных авторов сохраняется на уровне от 2% до 18,5% и в большей степени зависит от метода остеосинтеза (Горбонос И.А. 2007).
Профилактика и лечение воспалительных осложнений при лечении переломов нижней челюсти остаются актуальными проблемами в хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Развитие инфекционно-воспалительных осложнений при переломах определяется анатомо-физиологическими особенностями нижней челюсти и окружающих ее мягких тканей, а также наличием в полости рта значительного количества условно патогенной микрофлоры. При этом особенно сложно предотвратить остеомиелитический процесс при значительном смещении отломков и несвоевременном обращении пациентов за медицинской помощью. Зачастую к возникновению инфекционно-воспалительных осложнений приводит нерациональный выбор метода закрепления отломков. Вторичная внутритканевая микротравма при отсутствии покоя в поврежденной кости, не только задерживает сроки формирования первичной костной мозоли, но и способствует нагноению раневого субстрата. Кроме того, костная ткань челюстно-лицевой области обладает крайне низким потенциалом к регенерации вследствие малого содержания кроветворного костного мозга (Перова М.Д., 2005). Для стимуляции репаративиого остеогенеза при лечении переломов челюстей предложены различные материалы и препараты, способствующие ликвидации воспаления и восстановлению структурных элементов костной ткани. Опубликован ряд работ по оптимизации влияния гипоталамических нейропептидов (в частности окситоцина и вазопрессина) на репаративные процессы тканей различного генеза. (Барков В.Н. 2004, Безносик В.Н. 2010, Кочкина Н.Н. 2010, Матчин А.А., Стадников А.А. и соавторы 2013, Волков Ю.А. 2013).
Прототип: известен способ стимуляции остеогенеза у животных с помощью окситоцина. Так Дальская А.И. и соавторы (2001) провели экспериментально-гистологические исследования по применению окситоцина для стимуляции регенерации тканей челюстно-лицевой области (у 32 лабораторных крыс-самцов массой 230-280 г вызывался открытый перелом нижней челюсти). В сравниваемых группах экспериментальных животных осуществляли местное введение окситоцина в разовой дозе 1МЕ и (или) динкомицина (0,2 мл) на 2, 3, 5 и 7-е сутки.
Анализ фактических и обобщенных данных позволяет констатировать позитивное значение и антибиотический эффект вводимого в область перелома окситоцина на послеоперационное течение раневого процесса. Окситоцин существенно (в 3-5 раз) повышал ДНК-синтетическую способность фибробластов, остеобластов, эндотелиоцитов сосудов микроциркуляторного русла, а также создавал условия для мобилизации миосаттелитоцитов. На 30-е сутки вся зона повреждения заполняется новообразованной ретикулофиброзной костной тканью с признаками начинающейся трансформацией костного регенерата, выражающейся в появлении пластинчатых остеоструктур.
Отрицательным качеством данного способа является отсутствие в методике какого-либо способа постоянной иммобилизации отломков, что препятствует консолидации перелома.
Известно, что наличие воспалительного процесса, поддерживаемого подвижностью костных отломков при традиционной фиксацией затрудняет формирование костного регенерата. Качественная иммобилизация без стимуляции существенно уменьшает количество осложнений при открытых переломах нижней челюсти (Сысолятин П.Г., Кулаков А.А. 2010). Однако, воспалительный процесс, вызванный травмой при выполнении остеосинтеза как способа наиболее качественной иммобилизации костных отломков, значительно снижает возможности стимуляции остеогенеза.
Использование изделий для остеосинтеза из наноструктурированного титана придает новый импульс в лечении переломов нижней челюсти. Благодаря своим конструкционным свойствам твердости и прочности, небольших размеров пластин и шурупов уменьшаются без потерь вышеперечисленных свойств.
Одним из таких материалов является титан марки Grade-4, изготовленный методом равноканального углового прессования (РКУП-комформ), что способствует повышению его механических свойств. Так твердость титана повышается примерно в 1,3 раза, а такие прочностные характеристики как пределы прочности и текучести увеличиваются примерно в 1,5 раза (Валиев Р.З 2008).
Процесс наноструктурирования позволил нам миниатюризировать пластины для остеосинтеза за счет того что предел прочности титана в исходном состоянии составляет 700 Мпа, а наноструктурированном - 1020.
В результате расчета размеров на примере базовой пластины была уменьшена толщина пластины от 0,9 до 0,6 мм, а диаметр отверстия от 2 до 1,7 мм. Таким образом, удалось уменьшить толщину образца и увеличить.
контактную площадь между изделием и фиксируемой костью. Модели пластин до и после миниатюризации представлены на фиг. 1.
В связи с тем, что отверстия пластин уменьшались, размеры шурупов для закрепления пластины, показанных на рисунке 2, также были уменьшены. Диаметр основного сечения шурупа уменьшен от 2 до 1,6 мм. Длина шурупа была уменьшена от 9,5 до 7,56 мм благодаря уменьшению шага резьбы от 0,8 до 0,5 мм и увеличению количества витков от 9 до 10. Шурупы для крепления пластин показаны на фиг. 2.
Данная миниатюризация пластин, в результате которой уменьшается толщина пластины и диаметр отверстия для крепления шурупов, дает возможность увеличить контактную площадь между изделием и фиксируемой костью, обеспечивая более качественное крепление. Уменьшение размеров шурупов для крепления пластин, в свою очередь, позволило уменьшить площадь повреждения костной ткани при фиксации изделия. Уменьшение общего объема металлоконструкций снижает деформацию окружающих тканей.
Ряд усталостных испытаний позволил установить, что усталостная прочность пластин из наноструктурированного титана марки Grade 4 в 5,8 раз выше прочности промышленных пластин из обычного титана (Кашапов М.Р. 2013).
Наноструктурированный титан также обладает повышенными свойствами биосовместимости. В опытах на животных доказана его остеоинтеграционная способность, улучшающая репаративные процессы в окружающих тканях (Матчин А.А., Стадников А.А. 2016.)
Нами выполнены серии экспериментов на кроликах по изучению взаимодействия наноструктурированного титана с костью и окружающими ее мягкими тканями, позволяющие оценить возможность использования титана марки Grade-4 по технологии РКУП-конформ (равноканального углового прессования). Животным выполнена модель перелома нижней челюсти с остеосинтезом при помощи пластины и шурупа изготовленного из наноструктурированного титана марки Grade-4 произведенного методом равноканального углового прессования (РКУП-комформ). Клинические наблюдения, результаты рентгенологического исследования, гистологическое исследование окружающих тканей и съемка на лазерном конфокальном сканирующем микроскопе зоны контакта титанового изделия с костной тканью говорят об остеоинтеграции наноструктурированного титана при отсутствии сколько ли значимого воспалительного процесса, что является идеальной характеристикой для металлических изделий, применяемых в остеосинтезе.
Пластина из наноструктурированного титана для остеосинтеза нижней челюсти защищена Патентом РФ на полезную модель №175248 (авторы: Носов Евгений Васильевич, Матчин Александр Артемьевич, Стадников Александр Абрамович, Клевцов Геннадий Всеволодович).
Однако, количество осложнений при применении металлоконструкций из нанноструктуированного титана при остеосинтезе снижается незначительно из-за низкого уровня репаративных процессов в области перелома челюсти.
Целью предлагаемого способа является применение окситоцина для стимуляции репаративиого остеогенеза в комплексе с использованием наноструктурированных миниконструкций из титана марки Grade-4 изготовленный методом равноканального углового прессования (РКУП-комформ) для остеосинтеза нижней челюсти у животных.
Поставленная цель достигается тем, что при остеосинтезе нижней челюсти животных с помощью пластины и шурупов, изготовленных методом РКУП-комформ под слизистую в переходную складку нижней челюсти в непосредственной близости к линии перелома инъекционно вводится раствор окситоцина на 1, 3, 5, 7 сутки с начала лечения перелома один раз в сутки в разовой дозе 0,2 мл.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в комплексном применении медикаментозных инъекций (окситоцин) в область перелома нижней челюсти у животных по определенной схеме в комплексе с остеосинтезом наноструктурированными миниконструкциями из титана марки Grade-4 изготовленный методом равноканального углового прессования (РКУП-комформ). Это позволило за счет миниатюризации изделий уменьшить инвазивность методики для окружающих мягких тканей, что является одним из элементов профилактики воспалительных осложнений. Применение окситоцина стимулирует репаративные процессы в окружающих тканях, тем самым улучшая остеоинтеграционные свойства самого материала.
Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий эффект.
Местное введение окситоцина в зону остеосинтеза при помощи изделий из наноструктурированного титана стимулирует остеогенез в линии перелома, ускоряет консолидацию отломков, улучшает остеоинтеграционные свойства наноструктурированного титана и уменьшает вероятность развития осложнений. Миниконструкции (шурупы и пластины) из титана марки Grade-4 изготовленный методом равноканального углового прессования (РКУП-комформ) обеспечивают надежную фиксацию костных отломков, снижают травматичность остеосинтеза и уменьшают воспалительный процесс, тем самым создают условия для эффективного действия окситоцина на стимулирование репаративиого остеогенеза и его антимикробное влияние.
Сущность изобретения
Лечение перелома нижней челюсти выполняется с помощью остеосинтеза наноструктурированными пластинами и шурупами из титана марки Grade-4 изготовленный методом равноканального углового прессования (РКУП-комформ) с введением под слизистую переходной складки нижней челюсти в непосредственной близости от линии перелома раствора окситоцина на 1, 3, 5, 7 сутки с начала лечения перелома один раз в сутки в разовой дозе 0,2 мл. В результате введения окситоцина стимулируются процессы репаративиого остеогенеза и остеоинтеграционные свойства материала, что ускоряет консолидацию отломков.
Существенные отличия: Условия для эффективного действия окситоцина создаются высокой степенью иммобилизации отломков, минимальным объемом металлоконструкций из наноструктурированного.
титана, обладающего повышенными свойствами биосовместимости. Существенное снижение воспалительного процесса в области перелома, обусловленное минимальной травмой окружающих тканей пластинами и шурупами, остеоинтеграционными свойствами и ареактивностью наноструктурированного титана качественно повышает стимулирование репаративиого остеогенеза и антимикробное действие вводимого окситоцина. Комплексное применение окситоцина и миниконструкций для остеосинтеза из ноноструктуированного титана снижает вероятность развития осложнений и уменьшает время лечения перелома.
Осуществление изобретения.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Под адекватным обезболиванием проводится разрез кожи и мягких тканей подчелюстной области кролика, обнажаются линия перелома и скелетируются отломки нижней челюсти. Отломки репонируются, на поверхность кости фиксируется пластина при помощи зубчатого зажима. С помощью бормашины выполняются отверстия, соответствующие диаметру шурупа через отверстия пластины с использованием водяного охлаждения для предотвращения ожога тканей. В подготовленные отверстия вводятся и вкручиваются шурупы до упора. Мягкие ткани ушиваются послойно.
С момента начала лечения перелома под слизистую переходной складки нижней челюсти в непосредственной близости от линии перелома инъекционно вводится 0,2 мл раствора окситоцина. Инъекции повторяются на 3,5,7 сутки один раз в день.
Примеры применения.
Проведены экспериментальные исследования на кроликах породы Шиншила массой 2,5-3 кг. Животным под эфирным рауш-наркозом и инфильтрационной анестезией скелетировалась нижняя челюсть, выполнялась модель перелома нижней челюсти при помощи сквозной остеотомии сепарационным диском. Отломки закреплялись пластиной и шурупами из наноструктурированного титана марки Grade-4, изготовленного методом РКУП-комформ (серия 1). Схема наложения пластины представлена на фиг. 3.
Во второй серии экспериментов после остеосинтеза модели перелома и его фиксации с помощью наноструктурированных изделий в переходную складку нижней челюсти в непосредственной близости от линии перелома инъекционно вводилось 1 ед. окситоцина. Инъекции повторялись на 3,5,7 сутки один раз в день. Животные выводились из опыта через 1 месяц.
Выполнялась рентгенография нижней челюсти, морфологическое исследование костной и мягкой ткани в зоне операции. Исследована область контакта костной ткани с поверхностью пластины и шурупа на лазерном конфокальном сканирующем микроскопе Lext OLS 4000.
В первой серии эксперимента у 30% животных наблюдались осложнения в виде нагноения костной раны и развития остеомиелитического процесса в области экспериментального перелома. Во второй серии осложнений не наблюдалось, стабильность пластины сохранялась. При радиовизиографии области перелома и закрепления отломков отмечена консолидация без патологических изменений вокруг шурупов и пластин в зоне остеосинтеза. При обследовании на сканирующем микроскопе Lext OLS 400 виден полный контакт костной ткани с внутренней поверхности пластины и резьбовой поверхностью шурупа на всем протяжении.
При проведении гистологического и иммунно-гистохимических исследований тканей в области перелома и области ствола мозга кролика установлено, что местное применение окситоцина оптимизировало стадии репаративиого остеогенеза. Он включал в себя скопления остеогенных элементов - остеобластов и костных трабекул, ориентированных вдоль пучков коллагеновых волокон.
Формирующаяся ретикулофиброзная костная ткань состояла из первичных костных балок, располагающихся вокруг крупных гемокапилляров. В краевых участках регенерата регистрировались хондробласты и малодифференцированные хондроциты. К 30 суткам эксперимента в этих участках формировались типичные изогенные группы хондроцитов, продуцирующие межклеточный матрикс и выступающие за край поломанной нижней челюсти. При местном использовании в послеоперационном периоде окситоцина нами отмечен иной характер структурно-функциональной реорганизации крупноклеточных ядер гипоталамуса. Так, на фоне гипертрофических и гиперпластических проявлений нейросекреторных клеток (НСК) установлены ультраструктурные признаки «репарации» мембранных компартментов данных клеток. При этом главным признаком НСК супраоптических и паравентрикулярных ядер являлись исключительное обилие свободных рибосом (полисом), адекватное состояние гранулярной эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и митохондрий. Все это свидетельствовало об интенсивном синтезе структурных протеинов, крайне необходимых для внутриклеточной репарации и адекватности нейросекреции.
Обращалось также внимание на оценку состояния гистологических структур нижней челюсти в области пограничной с зоной перелома. Так, введение окситоцина приводило к уменьшению плотности костных балок, без признаков ремоделирования остеокластической резорбции. При этом отсутствовали резорбционные лакуны, как показатели выраженного остеопороза и деминерализации.
Полученные нами данные, безусловно, свидетельствуют о фазном характере пролиферативного и апоптотического потенциалов остеобластов в регенерате, а также о коррегирующем влиянии окситоцина на соотношение числа камбиальных клеток с апоптозной доминантой.
В своей совокупности полученные результаты подтверждают ранее полученные данные (Матчин А.А., Стадников А.А., Волков Ю.О. и соавт. 2013, Кошапов М.Р. и соавт. 2013) что включение в комплекс лечебных мероприятий окситоцина оказывает существенное оптимизирующее воздействие на репаративный остеогенез. И механизм этого влияния определяется коррекцией элементарных процессов гистогенеза на уровне экспрессии про- и антиапоптотических генов клеток костной ткани.
Литература
1. Барков В.Н. Экспериментально-морфологическое обоснование применения нейропептидов и деминерализованного костного матрикса при лечении больных с кистами челюстей: диссертация кандидата медицинских наук: 14.00.25 / Барков Владимир Николаевич; [Место защиты: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургская государственная медицинская академия"]. - Оренбург, 2004. - 94 с: 28 ил.
2. Безносик В.Н. Морфофункциональные особенности пульпы и дентиногенеза в условиях травматического периодонтита: автореф. дис.канд. мед. наук/В.Н. Безносик. - Оренбург, 2010. - 25 с.
3. Безруков В.М., Лурье Т.М. Изучение травматизма челюстно-лицевой области по материалам диссертационных исследований // Труды VI съезда Стоматологической ассоциации России. М., 2000. - С. 294 - 295.
4. Валиев Р.З., Семенова И.П., Латыш В.В., Щербаков А.В., Якушина Е.Б. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработка и перспективы коммерциализации // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. №9-10. С. 80-89.
5. Волков Ю.О. Экспериментально-морфологическое обоснование применения окситоцина для оптимизации репаративных гистогенезов при костной аутопластике дефектов нижней челюсти: экспериментально-гистологическое исследование: автореферат дис.… кандидата медицинских наук: 03.03.04, 14.01.14 / Волков Юрий Олегович; [Место защиты: Оренбург, гос. мед. акад.]. - Оренбург, 2013. - 28 с.
6. Горбонос И.А. Осложнения при остеосинтезе переломов нижней челюсти и их профилактика: автореферат дис.… кандидата медицинских наук: 14.00.21/ Горбонос Инна Александровна; [Место защиты: Новосибирск, гос. мед. университет]. - Новосибирск, 2007. - 23 с.
7. Дальская А.И., Стадников А.А., Матчин А.А., Барков В.Н. Экспериментально-гистологическое обоснование использования окситоцина для стимуляции регенерации тканей челюстно-лицевой области//Матер. 6-й Междунар. конф. челюстно-лицевых хирургов и стоматологов. СПб., 2001. С.38.
8. Кашапов М.Р., Клевцова Н.А., Иштеряков В.И., Рогова Т.Ф., Клевцов Г.В. Миниатюризация пластин из титана Grade 4, за счет формирования субмикрокристаллической структуры. Всероссийская научно-методическая конференция: «Вопросы фундаментальной и прикладной физики». - 30 января -1 февраля 2013. Г. Оренбург, Россия: ОГУ, 2013. - С. 1076-1080.
9. Кочкина Н.Н. Структурно-функциональные изменения мягких тканей в аспекте нейроэндокринной регуляции при проникающих ранениях щечной области: экспериментально-гистологическое исследование: автореферат дис.… кандидата медицинских наук: 03.03.04, 14.01.14 / Кочкина Наталья Николаевна; [Место защиты: Оренбург. гос. мед. акад.]. - Оренбург, 2010. - 25 с.
10. Хирургическая стоматология и челюстно-лицевая хирургия. Национальное руководство/ под ред. А.А. Кулакова, Т.Г. Робустовой, А.И. Нерабеева. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - С. 697-702.
11. Матчин А.А., Стадников А.А., Михайлова И.А., Петренко В.Л., Волков Ю.О., Северинова С.Б., Гречихина С.В. Экспериментально-морфологическое обоснование применения окситоцина в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии // XVIII Международная конференция челюстно-лицевых хирургов «Новые технологии в стоматологии». - СПб., 2013. - С. 111-112.
12. Матчин А.А., Волков Ю.О., Кириакиди С.X. Экспериментально-гистологическое обоснование посттравматической регенерации нижней челюсти при местном применении окситоцина// Морфология. - 2013. - Т. 144.. №5.. с. 94-95.
13. Матчин А.А., Стадников А.А., Клевцов Г.В., Носов Е.В., Мерсон Е.Д. Особенности репаративиого остеогенеза при закреплении отломков нижней челюсти минипластинами и минингурупами, изготовленными из наноструктурированного титана // Морфология. - 2016.- №3. - С.134 - 135.
14. Tamma R., Sun L., Cuscito С.et al. Regulation of bone remodeling by vasopressin explains the bone loss in hyponatremia // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. Vol. 110. №46. P. 18644-18649.
15. Титаренко А.В., Панин И.А. Лечение осложненных переломов тела и угла нижней челюсти методом внутриротового остеосинтеза устройствами из никелида титана //Новые методы диагностики, лечения и менежмента в здравоохранении: Материалы докладов научно-практической конф., Новосибирск, 19 марта 1993 г. - Новосибирск, 1993. - С. 29-30.
16. Пат. 175248 (Российская Федерация МПК А61В 17/80 Мини-пластина из наноструктурированного титана для остеосинтеза нижней челюсти/ Носов Евгений Васильевич, Матчин Александр Артемьевич, Стадников Александр Абрамович, Клевцов Геннадий Всеволодович; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации. - №2017119948, заявл. 06.06.2017.
17. Пат. 2253387 (Российская Федерация МПК А61В 17/00 Способ предупреждения развития воспалительно-деструктивных процессов в костных и мягких биологических тканях челюстно-лицевой области/ Перова М.Д., Фомичева Е.А., Давиденко В.Н., Тропина А.В.; заявитель и патентообладатель Перова Марина Дмитриевна - №2004124593/14,, заявл. 12.08.2004.