Оценка приживаемости и безопасности применения оссеоинтегрированных чрескожных имплантатов из разных сплавов

Биомедицина . № 4, 2017, С. 77-84

ДОКЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Оценка приживаемости и безопасности применения оссеоинтегрированных чрескожных имплантатов из разных сплавов

A.A. Еманов, М.В. Стогов, В.П. Кузнецов, Е.В. Осипова, Н.В. Тушина, Е.А. Киреева, И.В. Шипицына, A.B. Губин

ФГБУ «Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России, Курган

Контактная информация: к.в.н. ЕмановАндрейАлександрович, A_Eman@list.ru

е

В работе проведена оценка приживаемости и безопасности оригинального чрескожного имплан-тата для культи трубчатой кости, выполненного из разных сплавов. Экспериментальное исследование проведено на кроликах-самцах породы шиншилла. Животным первой группы имплантировали изделие из нержавеющей стали (марка EOS PHI), во второй группе имплантат был изготовлен из титанового сплава (марка TÍ6A14V). Оба имплантата выполнены по аддитивной технологии селективного лазерного сплавления методом послойного сплавления образцов. Срок наблюдения животных составил 90 дней после имплантации. Обнаружено, что у животных первой группы в течение эксперимента наблюдалось два случая выпадения имплантата, во второй группе таких случаев зафиксировано не было. В первой группе отмечен один случай гибели животного, а также три случая хронического воспаления возле имплантата. С одинаковой частотой у животных обеих групп отмечен рост активности трансаминаз и увеличение уровня С-реактивного белка. Результаты проведенного исследования показали, что приживаемость и безопасность чрескожного имплантата из титанового сплава были выше относительно изделия, выполненного из нержавеющей стали.

Ключевые слова: чрескожный имплантат, оссеоинтеграция, приживаемость, безопасность.

Введение

Использование оссеоинтегрированных чрескожных имплантатов с целью протезирования культей конечностей является достаточной новой и активно развивающейся технологией [2]. Фундаментальное и клиническое обоснование применения такой технологии в настоящее время активно разрабатывается [36]. Случаи использования данной технологии в отечественной медицине

единичны [1], т.к. существенным ограничением ее использования является отсутствие доступных имплантатов.

Авторами разработан оригинальный чрескожный имплантат для культи трубчатой кости (Патент № 152558 РФ, МПК A61F 2/28. Имплантат культи трубчатой кости / Кузнецов В.П., Губин A.B., Корю-ков A.A., Горгоц В.Г. - 2014142216/14; заявл. 20.10.2014; опубл. 10.06.2015, бюлл. № 16), экспериментальная до-

клиническая оценка приживаемости и безопасности данного имплантата, выполненного из разных сплавов, и была целью данного исследования.

Материалы и методы

Экспериментальное исследование выполнено на 20-ти кроликах-самцах породы шиншилла в возрасте 6-10 мес. средней массой 3,4±0,2 кг. Животные получены из питомника ОАО «Акционерное Курганское общество медицинских препаратов и изделий "Синтез"» (Курган). Микробиологический статус -конвенциональные животные.

В ходе исследования животные содержались в виварии ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России. Кроликов содержали в клетках без полок, по одному животному. Все клетки были оборудованы емкостями для корма и воды. В качестве подстила использовали опилки нехвойных пород деревьев. Клетки подвергали ежедневной влажной уборке. Корм выдавался животным один раз в день, чистая стерильная питьевая вода - без ограничений. До начала эксперимента все животные выдерживались в карантине в течение 21 суток.

Содержание животных регламентировалось СП 2.2.1.3218-14 «Санитарно-эпидемиологические требования к устройству, оборудованию и содержанию экспериментально-биологических клиник (вивариев)»; ГОСТ 33215-2014 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила оборудования помещений и организации процедур»; ГОСТ 33216-2014 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила содержания и ухода за лабораторными грызунами и кроликами».

При планировании исследования ориентировались на ГОСТ Р ИСО 10993-1-2011 «Национальный стандарт РФ. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 1. Оценка и исследования» и ГОСТ Р ИСО 10993-6-2011 «Национальный стандарт РФ. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 6. Исследования местного действия после имплантации».

До начала исследования было получено одобрение локального этического комитета. Исследование проведено при соблюдении принципов гуманного обращения с лабораторными животными в соответствии с требованиями Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментов и других научных целей, и Директивой 2010/63/Еи Европейского парламента и Совета Европейского союза от 22.09.2010 г. по охране животных, используемых в научных целях.

Всем животным под общим наркозом проводили ампутацию голени на границе верхней трети. Далее рассверливали костно-мозговой канал до 4-4,5 мм, вкручивали имплантат (рис. В) в культю большеберцовой кости диаметром 4,5-5 мм (в зависимости от диаметра канала) и прикрепляли аббатмент (рис. А). Далее фиксировали сегмент аппаратом Илизарова, состоящим из двух опор. Для этого проводили перекрест спиц через проксимальный метаэпифиз большеберцовой кости и дистальную часть аббатмента, дистальные спицы были с упорной площадкой (рис. Б). Аппарат Илизарова демонтировали через 6 недель (рис. Г).

А

В

Г

Рис. Внешний вид имплантата культи трубчатой кости и рентгенограммы прооперированной конечности на этапах эксперимента: А - пластиковый аббатмент; Б - рентгенограммы после оперативного вмешательства; В - внешний вид имплантата; Г - рентгенограммы голени кроликов через 12 недель после операции.

Использовали два типа имплантатов, выполненных из разных сплавов. Животным первой группы (п=8) имплантировали изделие из нержавеющей стали (марка EOS PHI), для второй группы (п=12) имплантат был изготовлен из титанового сплава (марка TÍ6A14V). Оба имплантата выполнены по аддитивной технологии методом селективного лазерного сплавления.

Для оценки выживаемости имплантатов осуществляли ежедневное наблюдение за животными в течение 90 сут после имплантации, после чего животных выводили из эксперимента передозировкой барбитуратов. Для дополнительной оценки эффективности изделия в сыворотке крови экспериментальных животных определяли активность ферментов-маркеров костного обмена - щелочной фосфатазы (ЩФ) и тартратрези-стентной кислой фосфатазы (ТрКФ), а также концентрацию общего кальция и неорганического фосфата.

Оценку безопасности имплантации исследуемого материала проводили на основании данных прижизненного наблюдения, гематологического и биохимического исследований крови животных.

Забор крови осуществляли из краевой вены уха на сроках до имплантации, на 28-е и 90-е сут после имплантации. В сыворотке крови определяли концентрацию общего белка (ОБ), С-реактивного белка (СРБ), глюкозы, мочевины, креа-тинина, активность аланинаминотран-сферазы (АЛТ) и аспартатаминотран-сферазы (АСТ).

Активность ферментов, а также концентрации субстратов в сыворотке крови определяли на автоматическом биохимическом анализаторе Hitachi / ВМ 902 (F.Hoffmann-La Roche Ltd. / Roche Diagnostics GmbH), используя наборы реагентов фирмы «Vital Diagnostic» (Россия). Еематологические показатели определяли на полуавтоматическом

79

Biomedicine • № 4, 2017

гемоанализаторе АВХ РЕМТЯА 60 («НопЬа АВХ», Франция-Япония).

Данные представлены в виде медианы, 25-го и 75-го процентиля - Ме; 25-75 процентиль (табл. 1-3); для нежелательных событий (табл. 4) рассчитывали частоту встречаемости с расчётом доверительного интервала [ДИ, 5-95%]. Достоверность различий между количественными лабораторными показателями животных 1-й и 2-й групп на сроках обследования была оценена с помощью непараметрического Т-критерия Манна-Уитни. Внутри групп достоверность различий количественных лабораторных показателей, полученных на сроках обследования, сравнивали с исходными значениями (дооперационный уровень) с помощью непараметрического "-критерия Уил-коксона. Достоверность различий между частотами нежелательных событий у животных 1-й и 2-й групп оценивали с применением точного критерия Фишера. Различия считали достоверными

при минимальном уровне значимости р<0,05. В статистический анализ включены данные от всех животных, участвовавших в исследовании.

Результаты и их обсуждение

Наблюдение за животными в течение постимплантационного периода показало, что клиническое состояние кроликов обеих групп было удовлетворительным. Опорная функция конечности, как правило, восстанавливалась на четвертые-пятые сутки после операции и присутствовала у всех животных на всем протяжении эксперимента.

У животных первой группы в течение эксперимента наблюдалось два случая выпадения имплантата (частота 0,250; доверительный интервал [ДИ, 5-95%]: 0,031-0,584), во второй группе таких случаев зафиксировано не было (частота 0,000; ДИ, 5-95%: 0,000-0,078). Следовательно, приживаемость титановых имплантатов была выше, чем импланта-тов из нержавеющей стали.

Таблица 1

Динамика показателей сыворотки крови кроликов экспериментальных групп, позволяющих оценивать эффективность изделия

Период наблюдения Группа ЩФ, ед/л ТрКФ, ед/л Кальций, ммоль/л Фосфат, ммоль/л

До имплантации 1 50;31-62 28,8; 11,8-31,0 3,71; 3,51-3,77 1,31; 1,19-1,64

2 69;45-78 30,6; 24,2-37,9 3,72; 3,68-3,83 1,34; 1,23-1,41

28-е сут после имплантации 1 30*; 26-34 37,2*; 31,3-43,1 3,39*; 3,07-3,59 1,54*; 1,41-1,63

2 36*; 31-45 41,9*; 27,6-59,6 3,49*; 3,39-3,70 1,40 1,19-1,45

90-е сут после имплантации 1 67;58-76 19,7; 13,6-24,8 3,62; 3,60-3,73 1,34 1,32-1,37

2 44; 41-66 24,1; 22,7-25,0 3,63; 3,35-3,80 1,34 1,23-1,36

Примечание: * - достоверность различий со значениями дооперационного уровня при р<0,05.

В свою очередь, показатели сыворотки крови, характеризующие костный и минеральный обмен, не имели достоверных отличий между группами в динамике эксперимента (табл. 1). Лишь на уровне тенденции можно заключить, что у кроликов первой группы на 28-е сут эксперимента отмечено более существенное нарушение кальций-фосфорного баланса (снижение кальция и рост фосфата сыворотки крови).

Клиническое наблюдение также показало, что в первые трое суток у всех животных выявлены отеки в области культи до трех-четырех дней. В течение нескольких дней отмечалось снижение аппетита. У четырех кроликов первой группы (50%) и у двух второй группы (16,7%) наблюдали острое гнойное воспаление мягких тканей вокруг им-плантата в течение 10-14-ти дней после имплантации. Гнойное воспаление купировали антибиотикотерапией в течение 7-10-ти дней (цефазолин 0,05 г/кг). В первой группе отмечен один случай (16,7%) спонтанной гибели животного.

Хроническое воспаление в виде участков фибрина в зоне имплантата было выявлено у трех (37,5%) кроликов первой группы (гнойное отделяемое, повышение температуры, лейкоцитоз, снижение аппетита, вялость).

У животных обеих групп в постим-плантационном периоде отмечали умеренный лейкоцитоз, снижение гемоглобина, значимое увеличение количества тромбоцитов по сравнению с доопераци-онными значениями (табл. 2). Значимых межгрупповых отличий не выявлено.

Обнаружено, что статистически достоверные отличия между биохимическими показателями животных сравниваемых групп отмечались на 90-е сут после имплантации (табл. 3). На данном сроке наблюдения в сыворотке крови животных первой группы статистически значимо относительно животных второй группы была выше концентрация мочевины, креатинина, СРБ и активность трансаминаз. Из этих показателей стоит выделить СРБ и креатинин, которые были достоверно выше у кроликов

Таблица 2

Динамика гематологических показателей кроликов экспериментальных групп, позволяющих оценивать общее состояние животного

Период наблюдения Группа Лейкоциты, 109/л Эритроциты, 1012/л Гемоглобин, г/л Тромбоциты, 109/л

До имплантации 1 8,7; 6,2-10,7 6,2 5,7-7,3 144 131-157 423; 395-488

2 8,8 7,4-9,8 6,7 6,2-7,1 139 136-149 411; 402-438

28-е сут после имплантации 1 10,7 9,6-11,8 5,7 5,3-6,2 123 113-134 573* 489-623

2 10,2 9,3-10,7 6,1 5,4-6,5 124 115-137 588* 501-614

90-е сут после имплантации 1 9,7; 9,2-11,0 6,1 5,2-6,8 123 114-135 532* 496-589

2 9,1; 8,5-10,2 6,0 5,0-6,2 130 123-142 523* 488-587

Примечание: * р<0,05.

- достоверность различий со значениями дооперационного уровня при

81 Бюше&ете • № 4, 2017

Таблица 3

Динамика биохимических показателей сыворотки крови кроликов экспериментальных групп, позволяющих оценивать безопасность применяемого

изделия

Период наблюдения Группа ОБ, г/л Мочевина, ммоль/л СРБ, мг/л Креа-тинин, мкмоль/л Глюкоза, ммоль/л АЛТ, Е/л АСТ, Е/л

До имплантации 1 68; 65-72 5,7; 5,2-6,4 0,0; 0,0-0,2 99; 91-114 7,60; 6,40-7,76 49; 32-89 28; 18-47

2 71; 66-73 5,3; 4,9-5,9 0,6; 0,0-3,9 108; 95-115 8,00; 7,38-8,55 39; 31-57 25; 23-31

28-е сут после имплантации 1 67; 60-68 4,7; 4,4-5,8 34,5*; 27,9-41,5 92; 83-101 7,85; 7,03-8,54 54; 37-92 34; 24-67

2 65; 62-72 4,4; 4,3-5,4 21,7*; 10,7-34,7 111; 98-104 7,01; 6,66-8,56 44; 34-65 27; 22-46

90-е сут после имплантации 1 70; 69-71 6,9; 6,0-7,9 17,7*; 15,4-20,0 128*; 118-137 7,55; 7,28-7,83 88; 69-106 56; 38-74

2 72; 64-74 4,1*#; 4,0-4,5 7,0#; 1,6-11,2 94#; 88-103 6,42; 6,16-7,41 52#; 42-63 23#; 22-34

Примечания:

* - достоверность различий со значениями дооперационного уровня при р<0,05; #- достоверность межгрупповых различий при р<0,05.

первой группы не только относительно сопоставимых показателей животных второй группы, но и относительно дооперационного уровня.

Сводные данные по частоте нежелательных событий (определение по

ГОСТ Р ИСО 14155-2014 «Клинические исследования. Надлежащая клиническая практика»), выявленные у животных при применении апробируемых изделий, представлены в табл. 4. В первой группе животных отмечен один случай

Таблица 4

Частоты нежелательных событий у кроликов экспериментальных групп, абсолютное

число/общее число наблюдений

Событие Группа 1 Группа 2

Гибель 1/8

Признаки хронического воспаления

Рост АСТ+АЛТ+креатинина 1/8

Рост СРБ 3/8

Примечание: #-достоверность межгрупповых различий при р<0,05.

Биомедицина • № 4, 2017 82

спонтанной гибели животного (частота 0,125; 95%-й ДИ, 5-95%: 0,000-0,423), а также три случая хронического воспаления возле имплантата (частота 0,375; ДИ, 5-95%: 0,095-0,713), различия по частоте случаев хронического воспаления достоверны при р<0,05.

В обеих группах отмечено по одному случаю выявления высоких значений активности АЛТ и ACT при повышенной концентрации креатинина. Однако, в связи с разницей в объеме сравниваемых групп, данное нежелательное событие имеет разную долю: 0,125 (0,125; ДИ 5-95%: 0,000-0,423) для первой группы и 0,083 (0,083; ДИ, 5-95%: 0,000-0,296) - для второй группы, различия между группами недостоверны. Частота повышения концентрации СРБ в сыворотке крови животных первой группы составила 0,375 (0,375; ДИ: 0,095-0,713), у животных второй группы - 0,417 (0,417; ДИ: 0,166-0,694), различия между группами недостоверны.

Причинно-следственная связь между всеми отмеченными в ходе исследования нежелательными событиями и тестируемыми имплантатами оценена нами как возможная (при оценке связи ориентировались на градации, принятые в письме Росздравнадзора от 28.12.2012 г. № 04И-1310/12 «О порядке проведения мониторинга безопасности медицинских изделий в ходе клинических испытаний»).

Вывод

При оценке приживаемости и безопасности изученных имплантатов чрескожный имплантат из титанового сплава обладал большими преимуществами в части соотношения эффективность/безопасность относительно из-

делия, выполненного из нержавеющей

стали.

Список литературы

1. Корюков А.А., Губин А.В., Кузнецов В.П., Борзунов Д.Ю., Антипов А.В., Овчинников Е.Н., Резник А.В., Еманов А.А., Владимирова О.Н. Возможности улучшения функции и косметики культей пальцев кисти методом оссеоинтеграции // Гений ортопедии. - 2016. - №4.- С. 22-28.

2. Branemark R., Berlin О., Hagberg K., Bergh P., Gunterberg B., Rydevik B. A novel osseointegrated percutaneous prosthetic system for the treatment of patients with transfemoral amputation: A prospective study of 51 patients // Bone Joint J. - 2014. - Vol. 96-B. - No. 1. - Pp. 106-113. doi: 10.1302/0301-620X.96B1.31905.

3. Gholizadeh H., Abu Osman N.A., EshraghiA., Ali S. Transfemoral prosthesis suspension systems: a systematic review of the literature // Am. J. Phys. med. rehabil. - 2014. -Vol. 93. - No. 9. - Pp. 809-823. doi: 10.1097/ PHM.0000000000000094.

4. Hagberg К., Hansson E., Branemark R. Outcome of percutaneous osseointegrated prostheses for patients with unilateral transfemoral amputation at two-year follow-up // Arch. phys. med. rehabil. - 2014. - Vol. 95. - No. 11. - Pp. 2120-2127. doi: 10.1016/j.apmr.2014.07.009.

5. Jeyapalina S., Beck J.P., Bloebaum R.D., Bachus K.N. Progression of bone ingrowth and attachment strength for stability ofpercutaneous osseointegrated prostheses // Clin. orthop. relat. res. - 2014. - Vol. 472. - No. 10. - Pp. 29572965. doi: 10.1007/s11999-013-3381-0.

6. Tomaszewski P.K., Verdonschot N., Bul-stra S.K., Rietman J.S., Verkerke G.J. Simulated bone remodeling around two types of osseointegrated implants for direct fixation of upper-leg prostheses // J. Mech. behav. biomed. mater. - 2012. - Vol. 15. - Pp. 167-175. doi: 10.1016/j.jmbbm.2012.06.015.

References

1. KorjukovA.A., GubinA.V., Kuznecov V.P., Bor-zunov D.Ju., Antipov A.V., Ovchinnikov E.N., Reznik A.V., Emanov A.A., Vladimirova O.N.

Vozmozhnosti uluchshenija funkcii i kosmetiki kul'tej pal'cev kisti metodom osseointegracii [Possibilities of improving the function and cos-

83

Biomedicine • № 4, 2017

metics ofthe finger stumps by the method ofos-sseointegration], Genij ortopedii [Genius of orthopedics], 2016. No. 4. Pp. 22-28. (In Russian).

2. Branemark R., Berlin O., Hagberg K., Bergh P., Gunterberg B., Rydevik B. A novel osseointe-grated percutaneous prosthetic system for the treatment of patients with transfemoral amputation: A prospective study of 51 patients. Bone Joint J. 2014. Vol. 96-B.No. l.Pp. 106-113. doi: 10.1302/0301-620X.96B1.31905.

3. Gholizadeh H., Abu Osman N.A., EshraghiA., Ali S. Transfemoral prosthesis suspension systems: a systematic review ofthe literature. Am. J. Phys. med. rehabil. 2014. Vol. 93. No. 9. Pp. 809823. doi: 10.1097/PHM.0000000000000094.

4. Hagberg K., Hansson E., Branemark R. Outcome of percutaneous osseointegrated prosthe-

ses for patients with unilateral transfemoral amputation at two-year follow-up. Arch. phys. med. rehabil. 2014. Vol. 95. No. 11. Pp. 2120-2127. doi: 10.1016/j.apmr.2014.07.009.

5. Jeyapalina S., Beck J.P., Bloebaum R.D., Ba-chus K.N. Progression of bone ingrowth and attachment strength for stability of percutaneous osseointegrated prostheses. Clin. orthop. relat. res. 2014. Vol. 472. No. 10. Pp. 2957-2965. doi: 10.1007/s11999-013-3381-0.

6. Tomaszewski P.K., Verdonschot N., Bul-stra S.K., Rietman J.S., Verkerke G.J. Simulated bone remodeling around two types of osseointegrated implants for direct fixation of upper-leg prostheses. J. Mech. behav. biomed. mater. 2012. Vol. 15. Pp. 167-175. doi: 10.1016/j. jmbbm.2012.06.015.

Evaluation of survival and safety of percutaneous osseointegrated implants made ofvarious metal

alloys

A.A. Emanov, M.V. Stogov, V.P. Kuznetsov, E.V. Osipova, N.V. Tushina, E.A. Kireeva, I.V. Shipitsyna, A.V. Gubin

In the work, an assessment was made of the survival and safety of the original percutaneous implant for the stump of a tubular bone made from different metal alloys. An experimental study was performed on male rabbits ofthe Chinchilla breed. The animals ofthe first group were implanted with a stainless steel product (grade EOS PH1), in the second group the implant was made of a titanium alloy (grade Ti6Al4V). Both implants are made by the additive technology of selective laser fusion by the method of layer-by-layer fusion of samples. The period of observation of the animals was 90 days after implantation. It was found that in animals ofthe first group two cases of implant prolapse were observed during the experiment, in the second group there were no such cases. In the first group there was one case of death of an animal, as well as three cases of chronic inflammation near the implant. With the same frequency, the animals of both groups showed an increase in the activity of transaminases and an increase in the level ofthe C-reactive protein. The results of the study showed that the survival rate and safety of a transdermal implant from a titanium alloy was higher relative to a product made of stainless steel.

Key words: percutaneous implant, osseointegration, survival, safety.