ІНСТИТУТ ПАТОЛОГІЇ ХРЕБТА ТА СУГЛОБІВ ІМЕНІ ПРОФЕСОРА М.І.СИТЕНКА АМН УКРАЇНИ

ШИМОН Василь Михайлович

УДК 616. 71-089. 84:615. 464.03 :666. 232

РЕКОНСТРУКТИВНО-ВІДНОВЛЮВАЛЬНІ
ОПЕРАЦІЇ ПРИ ПОШКОДЖЕННЯХ
ХРЕБТА З ВИКОРИСТАННЯМ
ГІДРОКСИЛАПАТИТНОЇ КЕРАМІКИ
(експериментально-клінічне дослідження)

14.01.21 - травматологія та ортопедія

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора медичних наук

Харків-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України

Науковий консультант: доктор медичних наук, професор

КОРЖ Микола Олексійович

Інститут патології хребта та суглобів
імені професора М.І. Ситенка АМН України,
директор

Офіційні опоненти: доктор медичних наук, професор

ГРУНТОВСЬКИЙ Геннадій Харлампійович

Інститут патології хребта та суглобів імені
професора М.І.Ситенка АМН України, завідуючий
відділом захворювань та пошкоджень хребта

доктор медичних наук, професор

ІВЧЕНКО Валерій Костянтинович

Луганський державний медичний університет

МОЗ України, завідувач кафедри травматології,

ортопедії та військової хірургії

доктор медичних наук, професор

БРУСКО Антон Тимофійович

Інститут травматології та ортопедії АМН України,

керівник відділу патоморфології та патофізіології

Провідна установа: Національний медичний університет ім.О.О.Богомольця, кафедра травматології та ортопедії, МОЗ України, м.Київ

Захист відбудеться “31” січня 2003 р. об 11..30 на засіданні спе-ціалізованої вченої ради Д.64.607.01 Інституту патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України (61024, м.Харків, вул.Пушкінська, 80).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України (61024, м. Харків, вул. Пушкінська, 80).

Автореферат розісланий “28” грудня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, доктор медичних наук Радченко В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЇ

Актуальність роботи. Ушкодження грудного і поперекового відділів хребта є однією з найбільш складних проблем сучасної ортопедії та травматології. Тривалість і складність лікування, втрата працездатності, високий рівень інвалідності призводять до значних економічних витрат, що обумовлює медичну і соціальну значимість проблеми.

Останнім часом все більшого значення набувають хірургічні методи лікування ушкоджень хребта. Про це свідчить зростання потоку публікацій, присвячених ушкодженням хребта та їх хірургічному лікуванню [Швець А.И., 1990; Цивьян Я.Л. 1993; Хвисюк М.І. та ін., 2001; Педаченко Е.Г., Кущаев С.В., 2002; Katonis P. G. et al., 1999]. Нові технології операцій і застосування сучасних стабілізуючих систем дозволяють різко скоротити терміни ліжкового режиму, перебування в стаціонарі, втрати працездатності [Полищук Н.Е., Корж Н.А., Фищенко В.Я., 2001; Anderson P. A. et al., 1980; Marnay T., 1993; Harms I., Tapass O. L., 1999].

Звертають увагу факти використання нових біоматеріалів і технологій уперше саме в цій галузі [Noble P.C., Swarts E., 1983]. При проведенні реконструктивно-відновлювальних операцій на хребтовому стовпі широко застосовують кісткові алло- та аутотрансплантати [Хвисюк Н.И., 1977; Wittenberg et al., 1990], імплантати зі сплавів титану [Summers B. N., 1989], корундову кераміку [Корж А.А., Грунтовский Г.Х., 1992; Грунтовский Г.Х., Дедух Н.В., 1998]. Виконано більш ніж 1000 хірургічних втручань з використанням корундової кераміки для міжтілового спондилодезу як при ушкодженнях, так і при захворюваннях хребта. Впровадження для кісткової пластики корундової кераміки обумовлене її міцнісними якостями та біологічною інертністю [Панков Е.Я., Дедух Н.В. 1982; Hench L., 1990; Heinke Y. еt al., 1978]. Проте цих властивостей виявилося недостатньо при проведенні реконструктивно-відновлювальних операцій на хребті, у тому числі при використанні малотравматичних втручань. Надмірна міцність не рідко призводила до протрузії імплантатів у тіла хребців [Корж О.О. та інш., 1995]. Крім того, мікрорухомість імплантатів порушувала процес остеогенезу, тому, що навколо корундової кераміки формувалась фіброзна капсула, яка перешкоджала утворенню кістково-керамічного з’єднання [Кер Эль-Дин Баха, 1994].

Останнім часом для проведення вертебропластики та кіфопластики почали використовувати кісткові цементи на основі поліметилметакрилату, введення яких забезпечує надійну консолідацію тіл хребців, що попереджує розвиток компресійних переломів та знижує больовий синдром [Jensen M.E., 1997; Педаченко Е.Г., Кущаев С.В., 2002,]. Однак і при використанні кісткових цементів не вдалось уникнути ускладнень [Harrington K.D., 2001].

Серед спеціалістів відзначається підвищення інтересу до гідроксилапатитної (ГАП) кераміки [Грунтовский Г.Х., Малышкина С.В., 1997; Дубок В.А., 2000; Frayssinet P. еt al., 1993]. Це пов’язано з тим, що гідроксилапатит, в залежності від технології одержання, має різноманітну кінетику розсмоктування із заміщенням новоутвореною кістковою тканиною, тобто є біологічно активним. При цьому він характеризується високою міцністю. Деякі зразки по міцності не поступаються корундовим керамікам [Wittenberg R. H. et al. 1990]. На жаль, у літературі немає даних про особливості перебудови ГАП у хребтовому сегменті при різноманітних типах ушкоджень, невідомі можливості цього матеріалу, потребують вивчення фізико-хімічні, міцнісні властивості імплантатів різної конфігурації та форми. Є необхідність визначення принципів використання цього матеріалу, можливостей застосування різних форм ГАП (гранулярної, порошкової та щільних зразків) при ушкодженнях хребта як самостійно, так і у сполученні з металевими конструкціями та/або іншими матеріалами.

На цей час для лікування травматичних ушкоджень хребта використовують різні фіксуючі пристрої. Проте, незважаючи на численні розробки у цьому напрямку, проблема, пов’язана зі створенням нових фіксуючих пристроїв та їх обґрунтуванням для застосування у хірургії хребта, залишається актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт Інституту патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України (шифр теми ЦФ. 2001. 5 АМНУ, державна реєстрація № 0101U000650 “Розробити пластику кісткових дефектів кальцій-фосфатними кераміками з біологічними активними речовинами” – дисертант у експерименті на тваринах вивчив вплив біомеханічних навантажень на ушкоджений диск та тіло хребця при вибухових і компресійних переломах, і утворення кісткового блоку на місці спондилодезу, а також виявив морфологічні особливості перебудови кісткової тканини та міжхребцевого диску після різних типів змодельованих травматичних ушкоджень; шифр теми ОК. 99.4, державна реєстрація № 0199U03416 “Розробка нових технологій стабілізації шийного та грудопоперекового відділів хребта при хребетно-спінальній травмі” – дисертант розробив концептуальну модель можливості використання ГАП при травматичних ушкодженнях хребта, виконав математичне обґрунтування моделей використання різноманітних імплантатів із монолітних та гранулярних форм ГАП, а також у поєднанні з кейджами та розробленими фіксуючими пристроями без сегментарної стабілізації і після сегментарної транспедикулярної фіксації).

Мета дослідження – розробити новий напрямок у хірургічному лікуванні ушкоджень грудного то поперекового відділів хребта на основі використання гідроксилапатитної кераміки.

Задачі дослідження:

1. Визначити стан проблеми, тенденції її розвитку та обґрунтувати перспективність досліджень в обраному напрямку.

2. Розробити основні концептуальні підходи до застосування ГАП при ушкодженнях грудного та поперекового відділів хребта.

3. Вивчити особливості регенерації компонентів хребтового сегмента (міжхребцевий диск і тіло хребця) в залежності від типу ушкодження.

4. В експерименті на тваринах вивчити морфологічні особливості перебудови тканин хребта в залежності від характеру травматичного ушкодження і виду ГАП (гранули, порошок та щільний блок).

5. Вивчити в експерименті міцність кістково-керамічного з’єднання у порівняні з кістковими трансплантатами.

6. Дослідити за допомогою методів математичного моделювання ефективність використання ГАП при різних травматичних ушкодженнях хребта.

7. Удосконалити відомі і розробити нові стабілізуючі засоби і технології хірургічного лікування ушкоджень хребта з використанням ГАП.

8. Проаналізувати результати застосування розроблених засобів і технологій хірургічного лікування ушкоджень хребта з використанням ГАП та обґрунтувати показання до їхнього застосування відповідно до основних принципів розробленої концепції.

Об’єкт дослідження: травматичні ушкодження хребта людини та щурів. Перебудова тканин хребтового сегменту в умовах заміщення тіл хребців та міжхребцевих дисків при пластиці ГАП. Спондилодез при ушкодженнях хребта. Механізм формування кістково-керамічного з’єднання.

Предмет дослідження: особливості відновлення структури та функції хребта після травматичних ушкоджень; хірургічне лікування пацієнтів з використанням ГАП кераміки.

Методи досліджень. Клінічні та рентгенологічні методи використані для розробки показань до хірургічного втручання, а в післяопераційному періоді – для контролю за станом пацієнтів. Морфологічні методи – для виявлення особливостей перебудови тканин хребтового сегмента після імплантації ГАП у ділянки травмованого драглистого ядра та фіброзного кільця міжхребцевого диску, а також у дефекти тіла хребця, у тому числі з ушкодженням зони росту. Біомеханічні методи застосовані для оцінки локалізації переломів у хребтовому сегменті при критичному руйнівному навантаженні; методи математичного моделювання – метод кінцевих елементів – для аналізу міцнісних та жорсткісних характеристик ГАП і фіксуючих елементів на силову дію; статистично опрацьовані цифрові дані. У роботі використані прилади та обладнання – рентгенівський апарат, комп’ютерний томограф, мікроскопи (світловий – Rathenow, електронний – ЕМВ-100БР), стенд для біомеханічних досліджень зразків, комп’ютер типу IBM PC/AT, ліцензоване програмне забезпечення – Pro/ENGINEER – ANSYS.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі системного підходу, концептуального обґрунтування, експериментальних морфологічних та біомеханічних досліджень, а також методів математичного моделювання розроблено новий напрямок у хірургічному лікуванні травматичних ушкоджень хребта з використанням ГАП.

Обґрунтована доцільність диференційованого застосування гранул, порошку та щільних зразків ГАП при різних видах травматичних ушкоджень хребта – тіл хребців, міжхребцевих дисків та при їх сумісному ушкодженні.

На основі морфологічних досліджень було доведено, що ГАП, після імплантації у тіло хребця, не порушує хемотаксис клітин до зони ушкодження, про що свідчить формування зв’язуючої зони між кістковою тканиною та керамічним імплантатом. У цій зоні виявляються клітини остеобластичного диферону, лімфоцити та макрофаги. Розкрито механізм біологічної резорбції ГАП, виявлена роль остеокластів у цьому процесі. Доведено, що процеси резорбції керамічного імплантату подібні таким, які відбуваються у кістковій тканині. Макрофаги, які спостерігаються поблизу кераміки, також виконують катаболічну функцію, про що свідчить наявність у цитоплазмі клітин частинок ГАП.

Процес кісткоутворення перебігав безпосередньо на керамічному матеріалі, на що вказувала висока щільність остеобластів та колагенових волокон на поверхні гранул. Клітини, розташовані безпосередньо на гранулах кераміки, характеризувалися високою біосинтетичною актив­ністю. Ці дані вказують на те, що ГАП сприймається клітинами кісткової тканини як природний матеріал, що проявляє виражену остеокондук­тивність. Доведено, що ГАП характеризується високим ступенем остеоінтеграції, що обумовлює після імплантації у тіло хребця формування щільного кістково-керамічного з’єднання без ознак деструкції материнських трабекул. Через 6 місяців відмінних особливостей у структурі кістково-керамічного комплексу не виявляється, що свідчить про стабільність процесів перебудови. При імплантації щільних блоків ГАП у міжтіловой проміжок, визначається виражена остеоінтеграція ГАП з кістковою тканиною тіла хребця та не порушується структура фіброзного кільця.

Вперше доведено, що гранули ГАП можуть бути використані при травматичному ушкодженні фіброзного кільця та драглистого ядра. У ділянці ушкодження формується фіброзно-керамічне з’єднання.

Встановлено, що при використанні гранул і щільних зразків ГАП вплив критичного руйнівного навантаження на хребтовий сегмент не призводить до переломів у ділянці імплантованого матеріалу. Величина критичного руйнівного навантаження в усіх ситуаціях відповідає таким для інтактних хребтових сегментів. Не виявлено біомеханічних розходжень жорсткості системи після імплантації ГАП або кісткових аутотрансплантатів.

Вперше при використанні методу кінцевих елементів представлено математичне обґрунтування моделей різноманітного типу впливів на хребтовий стовп з імплантатами ГАП (гранули і блоки) і в поєднанні з фіксуючими пристроями. Створено концептуальні підходи до використання ГАП при травматичних ушкодженнях грудного та поперекового відділів хребтового стовпа та розроблені основні принципи проведення стабілізуючих операцій в ділянці хребта. Розроблені інструментарій, рекомендації та схеми хірургічного лікування травматичних ушкоджень з використанням ГАП.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені та впроваджені в практику основні принципи використання ГАП при різноманітних типах ушкоджень грудного та поперекового відділів хребта.

Розроблені та впроваджені в практику засоби та пристрої: засіб хірургічного паліативного лікування травматичних ушкоджень хребта; засіб хірургічного лікування компресійних переломів тіл хребців і пристрій для його здійснення (заявка № 2002053967); технологія та засіб хірургічного лікування ушкоджень міжхребцевого диску та хребта типу А1 (заявка № 2002043383, приорітетна довідка від 23.04.02); пристрій для корекції і фіксації хребта (рішення про видачу Деклараційного патенту на винахід від 21.10.02 р. на заявку № 2002043384); пристрій для фіксації хребта (патент № 35075).

Розроблені засоби дозволяють досягти оптимальної корекції деформації хребта при різноманітних типах ушкоджень грудного та поперекового відділів та зберегти стабільність фіксації на період формування кістково-керамічного блока.

Запропоновані рекомендації використані у травматологічному центрі м. Брно (Чехія), клінічній практиці спеціалізованих клінік та на кафедрах ортопедії та травматології інституту патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України, Ужгородського національного університету (медичний факультет), обласної клінічної лікарні м. Ужгорода, Кримського медичного університету (кафедра та клініка травматології та ортопедії), науково-дослідного інституту травматології та ортопедії Донецького державного медичного університету ім. М. Горького, Луганського державного медичного університету (кафедра травматології та ортопедії), Київської академії удосконалення лікарів (кафедра травматології та ортопедії), Київського Національного медичного університету (кафедра травматології та ортопедії), центральної районної лікарні м. Перечин, Херсонської обласної лікарні (травматологічне відділення), Івано-Франківської медичної академії (кафедра ортопедії та травматології), Івано-Франківської обласної клінічної лікарні (нейрохірургічне відділення), Дніпропетровської державної медичної академії (кафедра травматології та ортопедії, лікувальний факультет), Харківської міської лікарні швидкої та невідкладної допомоги № 4 ім. проф. О.І. Мєщанінова (травматологічне відділення №1).

Масштаби застосування: розроблені пристрої та хірургічні втручання планується використовувати в Україні та інших країнах світу.

Особистий внесок здобувача. Наведені в роботі матеріали наукових досліджень є особистим внеском автора у проблему, що вивчається. Автором було обгрунтовано мету та задачі дослідження, підібрані адекватні методи дослідження, визначені показання до застосування конкретного методу лікування пацієнтів із травматичними ушкодженнями хребта. Автором особисто проведені експерименти на білих лабораторних щурах (хірургічний підхід до моделювання ушкоджень диска і тіл хребців у щурів із наступною імплантацією в них ГАП кераміки та аутокістки). На базі лабораторії морфології сполучної тканини автор проаналізував результати експериментальних досліджень.

На базі лабораторії біомеханіки автором виконані експериментальні дослідження по вивченню навантажень на поперековий відділ хребта щурів із імплантованими матеріалами (гранули та блоки ГАП, кісткові аутотрансплантати) та зроблено аналіз отриманих результатів.

Проведено дослідження з математичним моделюванням оптимальних навантажень на травмований хребтовий сегмент (при ушкодженні диска, компресійних та “вибухових” ушкодженнях тіл хребців) із застосуванням ГАП кераміки і заглибних металевих конструкцій на базі Регіонального центру комп’ютерних методів проектування і дослідження машинобудівних кон-ст-рукцій “ВЕКТОР” Харківського національного політехнічного університету. Використане ліцензоване програмне забезпечення – Pro/ENGINEER – ANSYS. Автор проаналізував результати дослідження та розробив показання до їхнього застосування при травматичних ушкодженнях хребта.

Прооперовано та проведено аналіз отриманих результатів лікування 91 пацієнта з ушкодженнями грудного та поперекового відділів хребта. Проаналізовані та узагальнені матеріали клінічних, рентгенологічних та експериментальних досліджень. Особисто автором розроблено інструментарій для малоінвазивної хірургії хребта, пристрої для сегментарної транспедикулярної стабілізації, а також засіб та інструментарій для усунення компресії тіл хребців.

Автором особисто розроблено системний підхід до лікування травматичних розривів міжхребцевого диску, компресійних і “вибухових” переломів тіл хребців, а також обґрунтовані показання до застосування ГАП кераміки (гранульованої, порошкоподібної та монолітної) і сегментарної транспедикулярної стабілізації.

Самостійно виконано статистичне опрацювання отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи повідомлені на XII з’їзді ортопедів-травматологів України (1996, Київ), Українському з’їзді нейрохірургів (1998, Київ). Матеріали дисертаційної роботи були освітлені на Міжнародних конференціях: 2-nd Central European Orthopaedic Congress (Budapest, 1998); науковій конференції Військово-медичної академії “Морфологические основы гистогенеза и регенерации тканей” (2001, Санкт-Петербург).

Матеріали дисертаційної роботи були представлені на конференції по проблемі “Нове в травматології та ортопедії” (1993, Ялта), X Українській школі з міжнародною участю “Біологія і патологія опорно-рухового апарата” (2000, Харків), II регіональній науково-практичній конференції “Морфогенез і патологія кісткової системи в умовах промислового регіону” (2001, Луганськ); на засіданнях асоціації травматологів і ортопедів Закарпатської області (1997, Ужгород; 1998, Рахов; 1999, Ужгород; 2000, Хуст; 2001, Міжгір’я; 2002, Мукачево), республіканській науково-практичній конференції, присвяченій загальній хірургії (2000, Вінниця), конференції “Малоінвазивні і ендоскопічні технології в травматології та ортопедії” (2002, Крим), на конференції “Політравма” (2002, Київ), на конференції, присвяченій 95-ій річниці Інституту патології хребта та суглобів ім. проф. М.І.Ситенка АМН України (Харків, 2002).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 29 наукових роботах, із них: 1 монографія, 22 статті у провідних наукових фахових виданнях, один Деклараційний патент України.

Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота викладена на 329 сторінках машинописного тексту і складається із вступу, аналітичного огляду літератури, 7 розділів власних досліджень, висновків, списку використаних першоджерел і додатків. Список літератури включає 265 джерел, із них 95 вітчизняних авторів та інших країн СНД, 170 закордонних авторів. Робота ілюстрована 157 рисунками і 29 таблицями.

ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріал і методи дослідження. Для вирішення поставлених у роботі завдань були проведені експериментальні та клінічні дослідження.

Експериментальна частина досліджень виконана на базі лабораторій експериментального моделювання, морфології сполучної тканини, біомеханіки ІПХС ім. проф. М.І. Ситенка, а також у Національному технічному університеті (колишній Харківській політехнічній інститут). Метою експерименту було морфо-біомеханічне обґрунтування можливості використання різних форм ГАП для пластики дефектів при травматичних ушкодження хребта, вивчення перебудови тканин хребта у зоні імплантації кераміки, дослідження біомеханічних характеристик сформованого кістково-керамічного комплексу та його впливу на стан хребта.

Морфологічні дослідження процесу формування кістково-керамічного комплексу виконані на 168 білих лабораторних щурах-самцях, біомеханічні – на 18 щурах. Використані щури з живою масою від 280 до 320 г лінії Вістар популяції експериментально-біологічної клініки Інституту патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України. Травматичні ушкодження тіл хребців і міжхребцевих дисків були виконані у ділянках поперекового відділу хребта (L4 і L5), використовуючи передній доступ. Дефект виконували зубним бором (діаметр 2 мм) у різних ділянках хребтового сегмента, в залежності від поставленої задачі.

Проведено такі серії експериментів:

1 серія – руйнування локальної ділянки тіла хребця (закритий простір) із заповненням гранулами ГАП – 42 щура.

2 серія – руйнування локальної ділянки тіла хребця (закритий простір) із заповненням порошком ГАП – 21 щур.

3 серія руйнування локальної ділянки тіла хребця (закритий простір) із заповненням аутокісткою – 21 щур.

4 серія – руйнування тіла хребця із ушкодженням зони росту та заповненням ГАП – 21 щур.

5 серія – локальне руйнування диску (ділянка драглистого ядра) із наступним заповненням гранулами гідроксилапатиту – 21 щур.

6 серія – руйнування диску з ушкодженням зони росту й апофізів суміжних тіл хребців із заповненням гранулами ГАП – 21щур.

7 серія – руйнування диску з ушкодженням зони росту й апофізів суміжних тіл хребців із заповненням циліндричним щільним імплантатом ГАП – 21 щур.

Вибір кісткових аутотрансплантатів для порівняльного аналізу з ГАП обумовлений їх широким застосуванням у кістковій та пластичній хірургії.

Для заповнення дефектів хребтових сегментів у тварин дослідних груп використовували: гранули ГАП округлої форми з розмірами 150-250 мкм; імплантат ГАП у формі циліндра з діаметром 3 мм і висотою 4 мм та порошок ГАП. Пористість гранул і щільного зразка ГАП складала 25-30%, у структурі кераміки поєднувалися мікро- та макропори.

У тварин контрольної групи дефект заповнювали кістковими аутотрансплантатами (фрагмент вільного ребра у тварин брали при виконанні операції).

Морфологічні дослідження травмованих хребтових сегментів проведені на 3, 7, 14, 30, 90 і 180 добу (в залежності від поставленої завдвння) після хірургічних втручань. Тварини були виведені з експерименту шляхом передозування ефіру. При роботі з лабораторними тваринами керувалися матеріалами Європейської конвенції по захисту хребетних тварин, що використовуються в експериментальних і інших наукових цілях (Страсбург, 18.03.86 р.); Директивою Ради Європейського співтовариства від 24.11.86 р.; Розпорядженням МОЗ УРСР № 32 від 22.02.88 р.

Для морфологічного аналізу у щурів виділяли поперековий відділ хребта із зоною травматичного ушкодження. Матеріал фіксували у 10% розчині нейтрального формаліну, декальцинували у розчині 4% азотної кислоти, зневоднювали у спиртах зростаючої міцності та заливали у целоїдин (Саркисов Д.С., Перов Ю.Л., 1996). Виготовляли фронтальні зрізи товщиною 7-10 мкм, які забарвлювали гематоксиліном та еозином, а також пікрофуксином за методом ван Гізон.

Для кількісної оцінки результатів експериментального дослідження використовували морфометричний метод Г.Г. Автанділова [1990].

Площу, яку займала новоутворена кісткова тканина між гранулами ГАП, оцінювали по кількості точок перетинань малих квадратів сітки Автанділова (при зб. 56), які випадково попадали на структуру, що досліджувалась (умовні одиниці). Загальна площа гранул і всіх новоутворених тканин між гранулами була прийнята за 100 %. Площу новоутвореної кісткової тканини між гранулами перераховували у відсотках від загальної площі дефекту.

Індекс остеоінтеграції визначали, підраховуючи кількість точок, що попадали на кісткові трабекули, які контактували із ГАП. Індекс виражали у відсотках по відношенню до периметра імплантата.

Аналіз і фотографування матеріалу проводили на мікроскопі Rathenow.

Для електрономікроскопічного дослідження тканини з ділянки дефекту фіксували у розчині глютаральдегіду з об’ємною частиною 4%, а потім - у розчині осмієвої кислоти з об’ємною частиною 1%. Матеріал заливали у суміш епон-аралдиту, приготованого за методом Б. Уікли [1980]. Напівтонкі та ультратонкі зрізи виготовляли на мікротомі УМТП-3М. Ультратонкі зрізи контрастували за методом E.S. Reynolds [1963] і досліджували під мікроскопом ЕВМ-100БР.

Біомеханічні методи дослідження були використані для оцінки міцності несучої спроможності хребта при застосуванні найбільш розповсюджених способів спондилодезу з використанням ГАП та кісткових аутотрансплантатів.

На спеціально розробленому стенді досліджували препарати поперекового відділу хребта 18 щурів після моделювання різноманітних типів ушкодження тіл хребців і міжхребцевих дисків при пластиці дефектів ГАП.

За допомогою біомеханічних методів були досліджені розроблені фіксуючі пристрої для хребта з метою оцінки їх стабілізуючих властивостей, а також витривалості реалізованого остеосинтезу.

У роботі використане математичне моделювання поведінки біомеханічних систем на основі методу кінцевих елементів для дослідження напружено-деформованого стану кісток, м’язів та зв’язок із включеннями ГАП. Даний метод дозволяє враховувати складність форми, анізотропію і неоднорідність властивостей тканин хребтових сегментів, складний характер навантаження і контактної взаємодії.

Дослідження складалося із чотирьох етапів: створення кінцево-елементної моделі системи взаємодіючих тіл; рішення систем рівнянь МКЕ; аналізу отриманих результатів і розробки відповідних рекомендацій.

Для підвищення ефективності кінцево-елементного аналізу систем, що досліджувалися, були використані сучасні програмні продукти (Pro/ENGINEER, ANSYS) і оригінальні програмні розробки.

Отриманий цифровий матеріал у процесі клінічних, морфологічних та біомеханічних досліджень оброблений методом варіаційної статистики з використанням прикладного пакету STATISTICA 5.11 для Windows. Рівень достовірності прийнято 95%.

Клінічна частина роботи виконана на основі аналізу результатів лікування 91 пацієнта з різноманітними видами ушкоджень грудного та поперекового відділів хребта. Розподіл хворих за статтю та віком наведено в табл. 1. Більшість пацієнтів знаходилися у віковому періоді від 25 до 45 років, тобто – у найбільш працездатному віці.

Таблиця 1

Розподіл хворих за статтю та віком

Стать | Вік, років | Всього

до 25 | 25-30 | 35-45 | 45-60 | к-сть | %

к-сть | % | к-сть | % | к-сть | % | к-сть | %

Чоловіки | 7 | 63,6 | 15 | 68,0 | 26 | 74,3 | 17 | 73,9 | 65 | 77,7

Жінки | 4 | 36,4 | 7 | 32,0 | 9 | 25,7 | 6 | 26,1 | 26 | 23,3

Всього | 11 |

100 | 22 |

100 | 35 |

100 | 23 |

100 | 91 |

100

Був проведений розподіл 91 хворого по характеру і тяжкості ушкоджень (табл. 2) відповідно до класифікації АТ травматичних ушкоджень хребта, у якій виділені такі типи ушкоджень [Magerl L.F. et al. , 1994]:

- тип А – компресія тіла хребця з підрозділами: вколочений перелом, вколочений перелом з розколюванням, вибухові переломи;

- тип В – ушкодження переднього і заднього комплексу з розтягом, з підрозділами - розрив зв’язок, диску та переважним руйнуванням кісткової тканини;

- тип С – ушкодження переднього і заднього комплексу з ротацією, із підгрупами ушкодження типу А та В та ротацією і ротаційне ушкодження зі зсувом.

Таблиця 2

Розподіл хворих по характеру травматичних ушкоджень хребта відповідно
до класифікації АТ

Ушкодження типу А | Ушкодження типу В | Ушкодження типу С

Тип | К-сть | % | Тип | К-сть | % | Тип | К-сть | %

А1 | 22 | 2,31 | В1 | 13 | 52 | С1 | 9 | 64,29

А2 | 17 | 2,69 | В2 | 7 | 28 | С2 | 5 | 35,71

А3 | 13 | 25 | В3 | 5 | 20 | С3 | 0 | 0

Разом | 52 | 100 | 25 | 100 | 14 | 100

При клінічному обстеженні особливе значення надавали анамнезу, з’ясовували наявність болю в ділянці хребта до травми, враховували інші захворювання опорно-рухового апарату. Приділяли увагу особливостям больового синдрому – локалізації основного осередку; іррадіації болю; інші відчуття, що супроводжувалися болем; чинники, що впливають на інтенсивність болю.

Візуально і пальпаторно досліджували ділянку ушкодження, визначали ознаки травми задніх відділів хребта - набряклість, гематома, деформація, порушення осі остистих відростків і відстані між ними, звертали увагу на тонус паравертебральних м’язів.

Аналізували характер і тяжкість неврологічних розладів і встановлювали топічний неврологічний діагноз при загальноприйнятій класичній схемі обстеження.

Після клінічного обстеження виявляли попередній рівень ушкодження і визначали тяжкість неврологічних розладів відповідно до класифікації

I. Franke (1969). Тип А – повне ушкодження спинного мозку. Відсутність чутливості і рухів нижче рівня ушкодження. Тип В – неповне ушкодження спинного мозку із збереженням усіх видів чутливості нижче рівня ушкодження за винятком фантомних видів чутливості; рухи відсутні. Тип С – неповне ушкодження спинного мозку зі збереженням незначної м’язової сили, що не має функціонального значення. Тип D – неповне ушкодження спинного мозку зі збереженням м’язової сили, що має значення для пересування. Тип Е – збережені всі моторні та сенсорні функції.

Всі пацієнти були обстежені рентгенологічно. Вивчали рентгенограми, виконані у стандартних передньозадній та боковій проекціях. Для виявлення особливостей ушкодження дуг хребців і суглобових відростків пацієнтам робили рентгенографію у косих проекціях. Рентгенограми були ретельно досліджені за допомогою рентгенометричного методу Cobb. Особливу увагу звертали на показники, які є основними при виборі методу лікування: кут кіфозу, бокової або сколіотичної деформації; сагітальний діаметр хребтового каналу. При компресійних ушкодженнях тіл хребців визначали відсоток руйнації.

Вимірювання кіфотичної деформації хребта проводили за допомогою методу R. Timothy, M. D. Kuklo (2001), який дозволяє у кожному конкретному випадку визначити розмір необхідної корекції деформацій.

Вимірювання зсуву хребців у сагітальній площині проводили із застосовуванням схеми Hagelstam (1947).

Для виявлення особливостей ушкодження хребта пацієнтам виконували комп’ютерну та МРТ томографії ушкодженої ділянки хребта. Клінічні та рентгенологічні дослідження проводили як у доопераційному періоді, так і через 3, 6 та 12 місяців після операції із використанням ГАП. Контролем правила група із 21 пацієнта, яким були виконані подібні хірургічні втручання з застосуванням кісткової пластики.

При хірургічному лікуванні хворих з травматичними ушкодженнями хребтового сегмента використовували гранули ГАП (розмір гранул 200-600 мкм, пористість 25%) Центру ортопедії та травматології (м. Брно, Чехія), ГАП, синтезований НПО “КЕРГАП” (м. Київ), а також блоки і гранули, синтезовані на кафедрі фізики твердого тіла Харківського Національного університету.

Застосовували ГАП, який повільно деградує (синтезований при 900°С). По хімічному складу та домішкам гідроксилапатитна кераміка відповідала Міжнародним стандартам ASTMF 1185-58, ASTMF 1088-87.

Результати досліджень та їх обговорення. На основі експериментально-теоретичних досліджень розроблена концепція використання ГАП при хірургічному лікуванні травматичних ушкоджень хребта. Застосування концепції дозволило обґрунтувати диференційовані підходи до вибору як хірургічного втручання, так і виду ГАП при різних варіантах ушкодження хребта.

У основу концепції покладено декілька основних ідей: використання матеріалів на основі ГАП, властивості яких (остеокондуктивність, остеоінтегративність та остеотропізм) дозволяють розраховувати на відновлення міжтілової опори хребта з ранньою мобілізацією пацієнтів після хірургічного втручання; можливість проведення малоінвазивної техніки хірургічного втручання на передніх відділах хребта з використанням ГАП різних видів (порошок, гранули); застосування матеріалів, які дозволяють забезпечити оптимальний мінеральний склад у зоні ушкодження, що сприяє оптимізації консолідації при проникаючих переломах.

Розроблена концепція розкриває нові можливості застосування ГАП з різними фіксаторами у хірургії хребта.

Для підтвердження основних ланок концепції проведені експериментальні дослідження на білих лабораторних щурах. За допомогою морфологічних методів (світлової та електронної мікроскопії) доведено, що після імплантації ГАП у тіло хребця на поверхні гранул і поблизу їх у ранні терміни спостереження (3-я та 7-а доба) виявляються лімфоцити та макрофаги. Це свідчить про те, що ГАП не порушує хемотаксис клітин до ділянки ушкодження. На поверхні керамічних гранул розташовуються остеокласти, які резорбують ГАП, формуючи заглибини. Макрофаги також виконують катаболічну функцію, про що свідчить присутність у цитоплазмі клітин часток ГАП. Відзначається висока щільність низькодиференційованих клітин, а також клітин фібробластичного та остеобластичного диферонів. Остеобласти, які прилягають до гранул ГАП, характеризуються високою біосинтетичною активністю, на що вказує їх ультраструктурна організація: розвинена гранулярна ендоплазматична сітка з високою щільністю рибосом. Канальці ендоплазматичної сітки були розширені. Поблизу ядра розташований комплекс Гольджі з великою кількістю секреторних пухирців. Безпосередньо на поверхні гранул ГАП відмічені колагенові фібрили з ознаками мінералізації на ділянках. Поблизу гранул та безпосередньо на ГАП формувався остеоїд та кісткові трабекули.

Подібна тенденція була відмічена також на 14 добу. Процес кісткоутворення відбувається безпосередньо на поверхні гранул ГАП. Ці дані свідчать про те, що ГАП сприймається клітинами кістки як природний матеріал – між імплантатом із ГАП та кісткової тканиною формується сполучна зона, де одночасно перебігають біологічні процеси резорбції та кісткоутворення. У зоні ушкодження через 3 місяці після імплантації гранул ГАП утворюється кістково-керамічний комплекс. Ознак деструкції навколишніх материнських трабекул не виявлено. Через 6 місяців відмінних особливостей у структурі кістково-керамічного комплексу не встановлено, що свідчить про стабілізацію процесів перебудови прилеглої кісткової тканини.

При імплантації щільних зразків ГАП відмічається високий ступінь їх остеоінтеграції з кістковою тканиною, що було визначено за допомогою індексу остеоінтеграції. Індекс підраховували по кількості кісткових трабекул, які контактували з імплантатом ГАП. Показник індексу через один місяць дорівнював 0,54. Це свідчить про те, що контакти кісткової тканини з ГАП мали місце на більшій частині периметру імплантата. Через 3 та 6 місяців індекс остеоінтеграції вірогідно підвищувався у 1,3 та 1,5 разів, відповідно термінам дослідження.

При аналізі межі ГАП з фіброзним кільцем не відмічається порушення його структурної організації.

Показана невисока ефективність використання порошкової форми ГАП для пластики травматичних ушкоджень тіл хребців. Це пов’язане з тим, що процеси кісткоутворення уповільнюються внаслідок елімінації ГАП у ранні терміни спостереження із зони дефекту за рахунок активізації функціонування остеокластів та макрофагів, а також у результаті вимивання часток кераміки через кровоносне русло.

Аналіз керамічного матеріалу проведений при порівнянні з кістковими аутотрансплантатами при заповненні локальних дефектів у тілах хребців. При використанні аутокістки темпи кісткоутворення були повільнішими, ніж при застосуванні гранул біоактивної кераміки, на що вказують показники площі новоутвореної кісткової тканини у зоні дефекту. Ця площа у дефекті з аутотрансплантатом була у 1,44 та 1,38 рази меншою при порівнянні з імплантованими гранулами кераміки на 90 та 180 добу. Аутотрансплантат повільно перебудовувався. Це призводило до розвитку виражених дистрофічно-деструктивних змін у фіброзному кільці та пластинках росту і, як наслідок, – просідання диску.

Поблизу кісткового аутотрансплантата виявлялися ділянки новоутвореної кісткової тканини, кісткові трабекули якої проростали у трансплантат. Проте і на пізні терміни дослідження зберігалися фрагменти неперебудованого трансплантату, які були оточені фіброретикулярною тканиною.

Керамічний матеріал, як гранули, так і щільні зразки, є перспективним для пластики дефектів великих розмірів, а саме таких, які охоплюють ушкоджені тіла хребців та їх апофізи. У ділянці імплантації гранул формується щільний кістково-керамічний комплекс.

Була досліджена перебудова міжхребцевого диску в умовах імплантації в ушкоджене драглисте ядро гранул ГАП. Доведено, що імплантація матеріалу супроводжується репаративними змінами, які пов’язані з формуванням у зоні ушкодження фіброретикулярної тканини. Прогресування деструктивних порушень у фіброзному кільці при цьому не було відмічено. Це свідчить про те, що гранули ГАП можна рекомендувати для заповнення ділянки попередньої локалізації драглистого ядра.

Морфологічні дослідження були доповнені біомеханічними для оцінки міцнісних властивостей сформованого кістково-керамічного блоку. Вивчення проведене на сегментах поперекового відділу хребта щурів у таких ситуаціях: інтактні хребтові сегменти; хребтові сегменти з імплантованим ГАП (гранули та щільні зразки) у ділянку травматичного ушкодження міжхребцевого диску (з руйнуванням апофізів та зон росту суміжних тіл хребців); імплантація гранул ГАП у зону травматичного ушкодження локальної ділянки тіла хребця; імплантація гранул ГАП і аутокістки у травматичні дефекти тіл хребців з руйнуванням апофізу та зони росту краніального відділу тіла хребця.

Аналіз величини деформації, локалізації зон руйнації та показників жорсткості дозволив встановити деякі розходження у досліджених системах. Виявлені вірогідно більш високі значення розмірів деформації у препаратах із трансплантацією аутокістки у порівнянні з інтактними. Доведено, що руйнація системи з керамічними імплантатами відбувається у 84% випадках поза зоною імплантації, а при використанні трансплантатів аутокістки великих розмірів – у зоні хірургічного втручання. Більш високими показниками жорсткості характеризуються сегменти хребта з керамічними імплантатами.

Наступним етапом у послідовному виконанні задач було дослідження поведінки біомеханічних систем за допомогою метода математичного моделювання на основі кінцевих елементів. Розроблений нами спосіб математичного моделювання дозволив провести багатоваріантні розрахунки напруги деформованого стану системи після хірургічного лікування травматичних ушкоджень хребта, у тому числі при застосуванні імплантатів із ГАП.

У роботі використані технології створення моделей досліджених біомеханічних систем Pro/ENGINEER, ANSYS.

Основними елементами біомеханічної системи, що досліджувалася, були:

- тіло хребця з фрагментами суглобових відростків;

- міжхребцевий диск;

- фіброзне кільце;

- імплантат із ГАП (різноманітного ступеня щільності);

- титановий кейдж;

- фіксуючі титанові стрижні.

Вивчали 6 варіантів компресійного навантаження системи:

I “хребець – диск – хребець“

II “хребець – імплантат із гранульованого матеріалу ГАП – хребець – стрижні кріплення“ (гранули 200-800 мкм, щільне заповнення, модуль пружності – 104 МПа);

III “хребець – імплантат із гранульованого матеріалу ГАП – хребець – стрижні кріплення“(мілкодисперсний ГАП, модуль пружності – 103 МПа);

IV “хребець – імплантат із монолітного матеріалу ГАП (або те ж – титановий кейдж) – хребець – стрижні кріплення“ (модуль пружності ГАП – 105МПа; розміри імплантату 10х10х10 мм), фіброзне кільце вилучено;

V “хребець – імплантат із монолітного матеріалу ГАП (або те ж – титановий кейдж) – хребець – стрижні кріплення“(модуль пругкості ГАП – 105МПа; розміри імплантату 10х10х10 мм), фіброзне кільце не вилучено;

VI “хребець – імплантат із монолітного матеріалу ГАП (або те ж – титановий кейдж) – хребець – стрижні кріплення“ (модуль пружності ГАП – 105МПа; розміри імплантату 22х10х10 мм), фіброзне кільце вилучено;

VII “хребець – імплантат із монолітного матеріалу ГАП (або те ж – титановий кейдж) – хребець – стрижні кріплення“ (модуль пружності ГАП – 105МПа; розміри імплантату 22х10х10 мм), фіброзне кільце не вилучено.

Встановлено, що застосування імплантатів із гранульованої кераміки ГАП (розмір 200-800 мкм, пористість 25%) разом із металевими фіксуючими пристроями, знижує напругу у останніх та взаємні відносні переміщення хребців (як кутові, так і лінійні), у порівнянні з кейджами із титану або щільними зразками кераміки. Визначається ступінь зниження по переміщенням у 2-4 рази. Це дозволяє зробити висновок про перспективність застосування розроблених схем хірургічного лікування з використанням ГАП.

Дослідження, представлені у роботі стосовно вивчення напружено-деформованого стану хребта з імплантатами на основі ГАП і металевих фіксаторів за допомогою математичного моделювання та методу кінцевих елементів, дозволило розробити спосіб чисельного моделювання поведінки хребтового сегмента.

Розроблені алгоритми і параметризовані просторові твердотільні та кінцево-елементні моделі, що дають можливість провести різноманітні розрахунки напружено-деформованого стану біомеханічних систем після хірургічного лікування із застосуванням ГАП.

Виходячи з концепції використання ГАП кераміки при різних типах ушкоджень грудного та поперекового відділів хребта удосконалені та розроблені нові технології і засоби хірургічних втручань. Серед них – технологія та засіб хірургічного лікування ушкоджень міжхребцевого диску, при ушкодженнях хребта типу А1 та патологічних переломах; пристрій для хірургічного лікування компресійних ушкоджень тіл хребців, що дозволяє відновити форму міжтілового проміжку та висоту тіл хребців, технологія та засіб хірургічного лікування компресійних ушкоджень тіл хребців із розколюванням; ушкодження типу А3 із використанням переднього спондилодезу.

Крім того, нами розроблені металеві фіксатори із транспедикулярною фіксацією гвинтами для заднього спондилодезу, які використані у комплексі з ГАП. Властивості розроблених фіксаторів були перевірені на стенді для біомеханічних досліджень у лабораторії біомеханіки Інституту патології хребта та суглобів ім. проф.