імені професора М.І. Ситенка АМН України

МЕЗЕНЦЕВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 616.71-089.843:615.464:666.51

ДИФЕРЕНЦІЙОВАНЕ ЗАСТОСУВАННЯ РІЗНОВИДІВ

КАЛЬЦІЙ-ФОСФАТНОЇ КЕРАМІКИ ДЛЯ ПЛАСТИКИ

ПОРОЖНИННИХ КІСТКОВИХ ДЕФЕКТІВ

14.01.21 – травматологія та ортопедія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата медичних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор медичних наук професор

ФІЛІПЕНКО Володимир Акимович,

Інститут патології хребта та суглобів імені

професора М.І. Ситенка АМН України, завідувач

відділу патології суглобів

Офіційні опоненти: доктор медичних наук професор

ІВЧЕНКО Валерій Костянтинович,

Луганський медичний університет, ректор,

завідувач кафедри травматології та ортопедії

доктор медичних наук професор

ГРУНТОВСЬКИЙ Геннадій Харлампійович,

Інститут патології хребта та суглобів імені

професора М.І. Ситенка АМН України, головний

науковий співробітник відділу захворювань та

пошкоджень хребта

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

Захист відбудеться “ 8 ” лютого 2007 р. об 11.30 на засіданні спеціалізованої 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 “ 5 ” січня 2007 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради

доктор медичних наук О.А. Тяжелов

Актуальність роботи. Протягом останніх десятиліть зроблено суттєвий ривок у галузі реконструктивно-відновної хірургії із застосуванням натуральних та штучних матеріалів, що здатні замінити кісткову тканину.

Значному прогресу кістковопластичних відновлювальних операцій сприяло впровадження штучних замісних матеріалів небіологічного походження. Важливими перевагами імплантатів над трансплантатами є їх доступність, необмежена кількість матеріалу, скорочення часу оперативного втручання. Проте більшість відомих імплантаційних матеріалів суттєво відрізняються від живої кістки за своїми фізико-хімічними і механічними властивостями, а також нездатністю до самовідновлення та модифікації структури і властивостей у відповідь на дію навколишніх факторів (Hench L.L., 2000).

Кальцій-фосфатні біоматеріали, до яких відносяться гідроксилапатит (ГА), трикальційфосфат (ТКФ), біфазна (БФ) кераміка, біоскло, набули широкого використання в ортопедії та травматології завдяки таким якостям як біосумісність, біоактивність, остеотропізм та доведена для деяких різновидів кераміки остеоіндуктивність (Григорьян А.С. и др., 2000; Дубок В.А., 2000; Зыман З.З. и др., 2001; Суліма В.С. та ін., 2001; Хлусов И.А., 2003; Zyman Z. et al., 1998; Finkemeier Ch.G., 2002). Проте і до теперішнього часу не існує обґрунтованого підходу до вибору матеріалів, що імплантують.

Є окремі дані про те, що на хемотаксис і адгезію клітин мікрооточення біоматеріалу, а також на інтенсивність проліферації клітин репаративної бластеми та їх диференціювання чинять значний вплив структурні характеристики імплантатів, а саме пористість та її відсотковий об’єм; архітектоніка пор та їх розміри (Bigerelle M. et al., 2002; Missirlis Y.F., 2002). Проте практично відсутні дослідження з формування кістково-керамічного зрощення різних за структурою зразків кераміки в залежності від особливостей навантаження зони імплантації.

Залишаються невирішеними питання оптимального складу біфазної кераміки (ГА та ТКФ), який би забезпечував пролонгованість її біодеградації у відповідності до темпів кісткоутворення у зоні імплантації. Як доведено, біодеградація залежить від хімічного складу та структури кераміки і відбувається як за рахунок хімічного розчинення, так і шляхом клітинно-опосередкованої резорбції (Щепёткин И.А., 1995; Al Ruhaimi Kh. A., 2001; Bender S.A. et al., 2002; Renoou W. et al., 1985). Літературні дані щодо активізації попередників остеокластів у навантажених ділянках кістки наштовхують на думку про значний вплив умов навантаження на біодеградацію кераміки (Geesink R.G.T., 2002; Jaffe W.L., 1996). Недостатньо дослідженим є вплив на темпи біодеградації таких структурних особливостей кераміки, як пористість, архітектоніка, розміри та об’єм пор, що не дозволяє досягти керованого остеогенезу у ділянці імплантації.

Немає досліджень, спрямованих на вивчення напружено-деформованого стану (НДС) кісткової тканини в умовах пластики порожнинних кісткових дефектів за допомогою різновидів КФ кераміки.

У зв’язку з цим проведення досліджень, спрямованих на вивчення процесів кісткоутворення при використанні різноструктурних видів біоактивних керамік, імплантованих у ділянки скелета з різним ступенем навантаження, визначення особливостей НДС кісткової тканини при моделюванні керамопластики порожнинних дефектів, що розташовані у різних за навантаженням зонах, обґрунтування принципів диференційованого клінічного застосування представників КФ кераміки із різними механічними властивостями та ступенем біодеградації у відповідності з навантаженням, що несе зона імплантації, є актуальними як для теоретичної медицини та біоматеріалознавства, так і для практичної ортопедії та травматології.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом науково-дослідних робіт Інституту патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України (“Вивчити остеоінтеграційні процеси при пластиці кісткових дефектів кальцій-фосфатними кераміками різного складу та структури”. Шифр теми ЦФ.2004.2 АМНУ, держреєстрація № 0104U002088). У рамках цієї теми автор проводив експерименти на кролях породи шиншила (морфологічні дослідження перебудови кісткової тканини у зонах імплантації із різним ступенем навантаження) та білих лабораторних щурах лінії вістар (аналіз міцності сформованого кістково-керамічного зрощення). Брав участь у розробці кінцево-елементних моделей проксимального відділу стегнової кістки і кульшового суглоба та подальших дослідженнях напружено-деформованого стану кісткової тканини в умовах моделювання порожнинних дефектів у різних за навантаженням зонах та пластики цих дефектів різновидами КФ кераміки. Проводив клінічне та рентгенологічне обстеження хворих, брав активну участь у хірургічному лікуванні пацієнтів, ряд оперативних втручань виконав особисто.

Мета дослідження: експериментально-морфологічно, теоретично та клінічно обґрунтувати диференційоване використання різних за пористістю гранул гідроксилапатиту та пористих біфазних гранул на його основі для пластики порожнинних кісткових дефектів у різних за навантаженням ділянках скелета.

Задачі дослідження:

1. Дослідити тенденції розвитку науки щодо проблем та перспектив застосування штучних біоматеріалів для пластики порожнинних кісткових дефектів.

2. На основі морфологічних та морфометричних методів провести порівняльний аналіз формування кістково-керамічного зрощення при імплантації різноструктурних зразків гідроксилапатиту та біфазної кераміки у ділянки скелета з різним ступенем навантаження (великий вертлюг та дистальний відділ стегнової кістки).

3. Провести порівняльну оцінку міцності кістково-керамічного блоку, що сформувався після імплантації різноструктурних зразків гідроксилапатиту та біфазної кераміки у ділянки скелета з різним ступенем навантаження (великий вертлюг та дистальний відділ стегнової кістки).

4. За допомогою методу кінцевих елементів (МКЕ) побудувати тривимірну кінцево-елементну (КЕ) модель проксимального відділу стегнової кістки, дослідити напружено-деформований стан кісткової тканини в нормі та його зміни при моделюванні порожнинних дефектів у різних за навантаженням ділянках – головка, шийка стегнової кістки та зона великого вертлюга, а також в умовах моделювання пластики цих кісткових порожнин різновидами кальцій-фосфатної кераміки.

5. Побудувати тривимірну кінцево-елементну модель кульшового суглоба та з її допомогою визначити оптимальний вид КФ кераміки для пластики порожнинного дефекту кульшової западини в умовах її цементного реендопротезування.

6. На основі отриманих експериментально-морфологічних та теоретичних даних розробити методику диференційованого використання різновидів КФ кераміки (“щільних” та пористих гранул ГА, пористих біфазних гранул) для пластики порожнинних кісткових дефектів у різних за навантаженням зонах скелета з метою забезпечення необхідної міцності ушкодженої ділянки кістки та провести апробацію розробленої методики у клінічних умовах.

7. Проаналізувати результати застосування різновидів кальцій-фосфатної кераміки при лікуванні хворих з патологією опорно-рухової системи та оцінити їх клінічну ефективність.

Об’єкт дослідження: захворювання та пошкодження опорно-рухової системи, що супроводжуються утворенням порожнинних кісткових дефектів.

Предмет дослідження: в експериментальній частині роботи: кістково-керамічне зрощення та міцність кістково-керамічного блоку, що формувалися при імплантації різноструктурних зразків гідроксилапатиту та біфазної кераміки у ділянки скелета з різним ступенем навантаження (великий вертлюг та дистальний відділ стегнової кістки); напружено-деформований стан проксимального відділу стегнової кістки при моделюванні порожнинних дефектів у різних за навантаженням ділянках (головка, шийка та зона великого вертлюга) та в умовах пластики цих дефектів різновидами КФ кераміки; напружено-деформований стан кульшової западини в умовах керамопластики її порожнинного дефекту при цементному реендопротезуванні; в клінічній частині: клінічні та рентгенологічні прояви формування кістково-керамічного блоку, рентгенологічні ознаки біодеградації досліджуваних різновидів КФ кераміки.

Методи дослідження: оцінку кістково-керамічного зрощення та міцності кістково-керамічного блоку, що формувалися при імплантації різноструктурних зразків гідроксилапатиту та біфазної кераміки у ділянки скелета з різним ступенем навантаження, проводили за допомогою експериментального, морфологічного, морфометричного та біомеханічного методів. Метод кінцевих елементів застосовували для побудови кінцево-елементних моделей проксимального відділу стегнової кістки і кульшового суглоба та подальшого дослідження напружено-деформованого стану кісткової тканини в умовах моделювання порожнинних дефектів у різних за навантаженням зонах та пластики цих дефектів різновидами КФ кераміки. Клінічні та рентгенологічні методи використовували для діагностики, визначення показань до оперативного лікування, дослідження ознак формування кістково-керамічного блоку та біодеградації різновидів КФ кераміки, оцінки ефективності лікування. Для діагностики та визначення тактики хірургічного лікування при необхідності додатково користувалися ЯМР- та комп’ютерною томографією. Одержані в результаті досліджень дані опрацьовані статистичними методами з використанням прикладного пакету STATISTICA 5.11 for Windosws.

Наукова новизна роботи. Уперше проведено порівняльний аналіз формування кістково-керамічного зрощення при імплантації різноструктурних зразків гідроксилапатиту та біфазної кераміки у ділянки скелета з різним ступенем навантаження та встановлено, що на процеси кісткової регенерації та перебудови кераміки впливають як умови навантаження у зоні імплантації, так і структурні особливості кераміки.

Уперше проведено біомеханічний аналіз міцності кістково-керамічного комплексу, що сформувався після імплантації різноструктурних зразків гідроксилапатиту та біфазної кераміки у ділянки скелета з різним ступенем навантаження (великий вертлюг та дистальний відділ стегнової кістки). Виявлено залежність міцності кістково-керамічного комплексу від ступеня навантаження зони імплантації кераміки – в ділянках скелета, що зазнають більших навантажень (дистальний відділ стегнової кістки), міцність кістково-керамічного блоку є більшою. Визначено особливості руйнування кістково-керамічного комплексу під дією навантаження в залежності від виду КФ кераміки, що було імплантовано.

Уперше за допомогою МКЕ на прикладі КЕ моделі проксимального відділу стегнової кістки досліджено зміни напружено-деформованого стану кісткової тканини при моделюванні порожнинних дефектів у різних за навантаженням ділянках. Встановлено, що наявність змодельованих порожнин у різних ділянках стегнової кістки (головка, шийка чи вертлюг) призводить до зміни НДС проксимального відділу стегнової кістки. Характер та ступінь змін напружень залежать від локалізації дефекту – найбільш небезпечними є дефекти шийки та головки в умовах стоншення її субхондрального шару.

Уперше досліджено напружено-деформований стан проксимального відділу стегнової кістки в умовах моделювання пластики кісткових порожнин у різних за навантаженням ділянках різновидами кальцій-фосфатної кераміки. Доведено необхідність диференційованого підходу до вибору кісткового замінника в залежності від ступеня навантаження у зоні імплантації КФ кераміки та механічних властивостей окремих її видів.

Уперше за допомогою тривимірної КЕ моделі кульшового суглоба визначено оптимальний вид КФ кераміки для пластики типового порожнинного дефекту кульшової западини в умовах її цементного реендопротезування, з урахуванням механічних властивостей різновидів гідроксилапатиту та біфазної кераміки. Встановлено, що пріоритет має пориста гідроксилапатитна кераміка. Для прискорення формування кістково-керамічного блоку є можливим застосування суміші з пористої ГА та БФ кераміки у співвідношенні 50:50.

Уперше у клінічних умовах досліджено різні за пористістю та складом гранули КФ кераміки, виготовлені за оригінальною методикою “мокрого синтезу” з подальшим спіканням в ХНУ ім. В.Н. Каразіна (кафедра фізики твердого тіла). Виявлено, що час появи рентгенологічних ознак остеоінтеграції кераміки та її біодеградація залежать від таких факторів: 1) хімічний склад, структура та об’єм пористості кераміки; 2) ступінь функціонального навантаження у ділянці імплантації кераміки; 3) вік хворих та структурно-метаболічний стан кісткової тканини, що оточує кераміку; 4) наявність додаткових стимуляторів остеогенезу у вигляді кісткових автотрансплантатів чи демінералізованого кісткового матриксу. Встановлено, що використання кераміки у вигляді гранул різного діаметра (від 4 до 6 мм) забезпечує щільне заповнення порожнинних кісткових дефектів, що мають різні розміри та складну геометрично неправильну форму, а проміжки між гранулами допускають проростання кісткової тканини між гранулами та сприяють формуванню міцного кістково-керамічного блоку.

Уперше на підставі експериментально-морфологічних та теоретичних даних розроблено, впроваджено в клінічну практику та доведено клінічну ефективність принципів диференційованого використання різновидів КФ кераміки (“щільних” та пористих гранул ГА, пористих біфазних гранул) для пластики порожнинних кісткових дефектів у різних за навантаженням зонах скелета з метою забезпечення необхідної міцності ушкодженої ділянки кістки.

Практичне значення роботи. До впровадження в практику ортопедії та травматології представлено нові штучні матеріали вітчизняного виробництва для пластики порожнинних кісткових дефектів – різні за пористістю та складом гранули КФ кераміки, виготовлені за оригінальною методикою “мокрого синтезу” з подальшим спіканням в ХНУ ім. В.Н. Каразіна (кафедра фізики твердого тіла, завідувач – проф. З.З. Зиман). Матеріали було створено у відповідності з Міжнародним стандартом ASTM F1185-88, що послужило підставою для практичного впровадження даних кісткових замінників. Нові матеріали відрізняють наявність модифікацій з різними механічними властивостями та ступенем біодеградації; відсутність ризику вірусного забруднення, імунологічної реакції чи запалення, етичних та релігійних проблем (матеріали мають небіологічне походження); теоретично необмежена кількість та тривалий термін зберігання; відносно низька вартість; простота використання і висока ефективність. Розроблено методику диференційованого підходу до вибору кісткового замінника в залежності від ступеня навантаження у зоні імплантації КФ кераміки та механічних властивостей окремих її видів. У рамках цієї методики визначено оптимальний вид КФ кераміки для пластики порожнинного дефекту кульшової западини в умовах її цементного реендопротезування. Принцип диференційованого підходу до вибору пластичного матеріалу в залежності від ступеня навантаження ушкодженої ділянки скелета, механічних властивостей та швидкості біодеградації кераміки дозволив забезпечити необхідну міцність ушкодженої ділянки кістки та оптимізувати перебіг регенерації кісткової тканини в зоні імплантації, сприяв ранньому навантаженню оперованої кінцівки та прискоренню функціонального відновлення хворих, скоротив терміни та покращив віддалені результати лікування пацієнтів.

Результати експериментальних та клінічних досліджень впроваджено в роботу відділень дитячої ортопедії, невідкладної травматології та відновлювальної хірургії Інституту патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України, Науково-дослідного інституту травматології та ортопедії Донецького Державного медичного університету ім. М. Горького; травматологічного відділення Міської клінічної лікарні № 11 м. Одеса; травматологічного відділення Міської клінічної лікарні № 1 м. Полтава; викладаються на кафедрі ортопедії, травматології та ВММ Одеського Державного медичного університету.

Особистий внесок дисертанта. Самостійно визначені мета й задачі дослідження, особисто проводив експерименти на кролях породи шиншила (морфологічні дослідження перебудови кісткової тканини у зонах імплантації із різним ступенем навантаження) і білих лабораторних щурах лінії вістар (аналіз міцності сформованого кістково-керамічного зрощення), брав участь у проведенні морфологічних досліджень, обробці і трактуванні даних. Брав безпосередню участь у розробці кінцево-елементних моделей проксимального відділу стегнової кістки і кульшового суглоба та подальших дослідженнях напружено-деформованого стану кісткової тканини в умовах моделювання порожнинних дефектів у різних за навантаженням зонах та пластики цих дефектів різновидами КФ кераміки. Здобувач обстежив і здійснив динамічне спостереження за 114 хворими, яким виконані кістковопластичні операції з використанням різновидів КФ кераміки. Брав активну участь у хірургічному лікуванні пацієнтів, самостійно прооперував 16 хворих. Проводив клінічне та рентгенологічне обстеження пацієнтів у процесі диспансерного спостереження. Отримані цифрові дані оброблено з використанням статистичних програм. Результати досліджень оприлюднені автором на наукових конференціях. Здобувач особисто провів інтерпретацію отриманих результатів та сформулював висновки дисертації. Експериментальні та морфологічні дослідження проводили на базі лабораторій експериментального моделювання та патоморфології ІПХС за консультативною допомогою д.б.н. проф. Н.В. Дєдух, к.б.н. С.В. Малишкіної, к.б.н. Н.О. Ашукіної. Біомеханічні дослідження методом кінцевих елементів проведено у лабораторії біомеханіки ІПХС за консультативною допомогою д.м.н. проф. З.М. Мітелевої та мол. наукового співробітника О.В. Яреська. Участь співавторів відбито у відповідних спільних публікаціях.

Апробація роботи. Результати досліджень викладені на X Українській школі з міжнародною участю: “Біологія і патологія опорно-рухового апарату” (Харків, 2000); науково-практичній конференції ортопедів-травматологів Республіки Білорусь (Мінськ, 2001); ХІІІ з’їзді ортопедів-травматологів України (Донецьк, 2001), де здобувач отримав диплом ІІ ступеня за кращу доповідь серед молодих вчених; Міжнародній конференції “Передова кераміка – третьому тисячоріччю” (Київ, 2001); Кримській конференції ортопедів-травматологів “Мінімально інвазивні та ендоскопічні технології в травматології та ортопедії” (Ялта, 2002); на засіданні Харківського товариства ортопедів-травматологів (2002); І Всеукраїнській науково-практичній конференції “Актуальні проблеми біомінералогії” (Луганськ, 2004); науково-практичній конференції з міжнародною участю “Сучасні принципи діагностики, профілактики та лікування захворювань кістково-м’язової системи в людей різного віку” (Київ, 2004); ІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції “Актуальні проблеми біомінералогії” (Луганськ, 2006). Дисертацію виконано за підтримкою Кабінету Міністрів України (протягом року автор отримува стипендію Кабінету Міністрів України для молодих вчених).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 наукових праць, з них – 9 статей у провідних наукових фахових виданнях України, 1 стаття у провідному фаховому іноземному виданні “Journal of Materials Science: Materials in Medicine” (Великобританія), 1 Деклараційний патент України, 1 робота в Інформаційному бюлетені про нововведення, 4 роботи в матеріалах з’їздів та конференцій.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів власних досліджень, висновків, переліку посилань та трьох додатків. Робота викладена на 225 сторінках машинописного тексту, містить 26 таблиць, 56 рисунків. Список використаних літературних джерел включає 259 найменування (52 українських та російських автори, 207 іноземних авторів).

ЗМІСТ РОБОТИ

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

Експериментальні дослідження. З метою дослідження перебудови кісткової тканини в умовах імплантації керамічних зразків у різні за навантаженням зони скелета, а також визначення міцності сформованого кістково-керамічного комплексу в експериментах на тваринах застосовували різнопористу ГА та БФ кераміку у вигляді округлих гранул (діаметр від 4 до 6 мм – для кролів та від 1 до 2 мм – для щурів), яку було виготовлено на кафедрі твердого тіла Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна: мікропористі (“щільні”) гранули ГА, що мали виключно мікропори (5-10 мкм); пористі гранули ГА з загальним об’ємом пор 40-70±5 %; архітектоніку пор складала система наскрізних взаємопов’язаних мікро- (до 10 мкм) та макропор (350-600 мкм); пористі гранули біфазної кераміки, у якій співвідношення ГА/ТКФ становило 60:40 3%, архітектоніка БФ кераміки була аналогічною до такої у пористих гранул ГА. Параметри даних матеріалів повністю відповідають Міжнародному стандарту ASTM F1185-88.

Морфологічні дослідження перебудови кісткової тканини в умовах імплантації керамічних зразків у різні за навантаженням зони скелета виконано на 18 кролях породи шиншила (імплантацію кераміки виконували на обох задніх кінцівках, тобто усього прооперовано 36 кінцівок).

Аналіз міцності сформованого кістково-керамічного комплексу проведено на 84 білих лабораторних щурах лінії вістар.

Навантаженою ділянкою скелета вважали дистальний метаепіфіз стегнової кістки (бічний виросток), а практично ненавантаженою – великий вертлюг стегнової кістки.

Кролів виводили з експерименту шляхом введення повітря у вушну вену через 14 діб, 1, 3 та 5 місяців після імплантації керамічних зразків. Щури були виведені з експерименту шляхом передозування ефіру через 1 та 5 місяців.

Експерименти на тваринах виконували згідно з правилами Міжнародної конвенції захисту хребетних тварин, що використовуються в експериментальних й інших наукових цілях (European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purpose: Council of Europe 18.03.1986. – Strasbourg, 1986. – 52 p.).

Результати вимірянь приведено у відповідність до Міжнародної системи одиниць та оброблено за допомогою статистичних методів з використанням прикладного пакету STATISTICA 5.11 for Windows.

З метою визначення деяких найбільш навантажених ділянок скелета та теоретичного обґрунтування диференційованого підходу до вибору кісткового замінника було проведено дослідження за допомогою методу кінцевих елементів.

Побудовано тривимірні моделі проксимального відділу стегнової кістки, кульшового суглоба у нормі та в умовах його первинного тотального ендопротезування. При побудові тривимірних моделей за основу були взяті дані, які використовували при побудові двовимірних моделей, раніш розроблених в ХНДІОТ (ІПХС) (Мителева З.М., 1989; Бансал Алок, 2000; Мителева З.М., 2003). Застосовано програми “BioCad” (програма автоматичної генерації кінцево-елементної сітки) та “Looker” (програма візуалізації інженерних розрахунків), що вже добре зарекомендували себе при вирішенні складних ортопедичних завдань (Истомин А.Г., 1999; Петренко Д.Є., 2004).

Проведено моделювання порожнинних дефектів округлої форми у різних за навантаженням ділянках проксимального відділу стегнової кістки – головці, шийці та великому вертлюзі, а також пластики цих дефектів різновидами кальцій-фосфатної кераміки.

Тривимірна кінцево-елементна модель кульшового суглоба в умовах його первинного ендопротезування послужила основою для досліджень напружено-деформованого стану кульшової западини при пластиці її порожнинного дефекту за допомогою різновидів КФ кераміки під час цементного реендопротезування. Для дослідження було обрано один з найбільш типових порожнинних кісткових дефектів кульшової западини, який виникає внаслідок нестабільності чашки ендопротеза кульшового суглоба – дефект типу ІІВ (за класифікацією Bradford-Paprosky) (Bradford M.S., Paprosky W.G., 1995).

При кінцево-елементному (КЕ) моделюванні керамопластики кісткових порожнин було використано фізичні характеристики КФ керамік (модуль Юнга), отримані в результаті досліджень в лабораторії “Фізики міцності й пластичності” ННЦ ХФТІ (Оковит В.С., 2005).

Клінічна частина роботи виконана на основі клінічного нагляду в динаміці за 114 хворими (71 жінка та 43 чоловіка, віком від 11 до 75 років), яким внаслідок захворювань або ушкоджень опорно-рухової системи було проведено пластику порожнинних кісткових дефектів за допомогою різновидів кальцій-фосфатної кераміки (“щільних” та пористих гранул ГА, пористих гранул біфазної кераміки на основі ГА, поєднання цих матеріалів у вигляді суміші).

Загальна кількість імплантацій різновидів кальцій-фосфатної кераміки у 114 хворих становить 131 випадок.

Оцінку біодеградації КФ кераміки здійснювали на підставі рентгенологічної картини за 4-бальною системою (Galois et al., 2002).

Рентгенологічний аналіз мав 3 основних критерії: оцінювали межу між КФ керамікою та кістковою тканиною, що її оточує; зміни рентгенологічної “щільності” біоматеріалу; ознаки його фрагментації та заміщення кісткою. Застосовували якісну шкалу для опису змін, що спостерігалися під час інтеграції та перебудови керамічних гранул.

Рентгенологічними ознаками формування кістково-керамічного блоку вважали втрату чіткості на межі “кераміка-кістка” та зміни рентгенологічної тіні керамічних гранул у напрямку однорідності (за рахунок поступового заповнення проміжків між гранулами кераміки губчастою кісткою).

Результати досліджень та їх обговорення. На підставі проведених експериментальних досліджень встановлено, що на перебудовчі процеси кісткової тканини поблизу КФ керамічних зразків впливають як умови навантаження у зоні імплантації, так і склад керамічного матеріалу. Остеоінтеграційні процеси перебігають активніше у зонах з більшим навантаженням. Підвищення пористості КФ матеріалу та додавання ТКФ до ГА (БФ кераміка) покращують процеси кісткової регенерації навколо й усередині кісткового замінника. Ступінь навантаження у зоні імплантації впливав і на біодеградацію керамічних зразків – активніше вона відбувалася у дистальному метаепіфізі стегнової кістки.

Визначено, що показники міцності кістково-керамічного блоку, утвореного після імплантації “щільних” зразків ГА, є вищими, ніж при використанні пористої ГА чи БФ кераміки. Встановлено залежність міцності кістково-керамічного комплексу від ступеня навантаження у зоні імплантації кераміки – в ділянках скелета, що зазнають більших навантажень (дистальний відділ стегнової кістки), міцність кістково-керамічного блоку є більшою. Виявлено, що при використанні “щільних” зразків з ГА насамперед відбувалося руйнування структури кісткової тканини, яка оточувала керамічний зразок. При дослідженні кістково-керамічного блоку, до складу якого входив пористий ГА, відбувалося руйнування структури (без переваг) як кісткової тканини, так і кераміки. При застосуванні у досліді БФ кераміки відбувалося руйнування самого керамічного зразка, а не кісткової тканини, що його оточувала.

За допомогою МКЕ виявлено, що при розташуванні порожнинного дефекту у головці стегнової кістки основне навантаження несе субхондральний шар головки. Стоншення хряща та субхондрального шару стегнової кістки на 50% призводить до подальшого підвищення напружень у субхондральному шарі. При стоншенні субхондрального шару різко підвищується ризик структурних порушень в головці стегнової кістки. При наявності дефекту у шийці проксимальний відділ стегнової кістки перебуває в умовах значного підвищення напружень і він є більш небезпечним, ніж у випадку моделювання дефектів у головці стегнової кістки (в умовах збереження субхондрального шару) чи великому вертлюзі. Моделювання порожнин у зоні великого вертлюга стегнової кістки не призводить до значної зміни величини й характеру розподілу напружень у головці та шийці стегнової кістки.

Встановлено, що при заповненні дефектів головки стегнової кістки в умовах збереження субхондрального шару доцільніше використовувати БФ кераміку. При зменшенні товщини субхондрального шару для підтримки його носійної здатності переважніше застосовувати більш міцну ГА кераміку. Для реконструкції порожнин шийки стегнової кістки пріоритет над БФ керамікою має ГА (“щільний” чи пористий). Перевагу має пористий ГА у зв’язку з тим, що пори забезпечують кращу остеоінтеграцію та подальшу біодеградацію кераміки. При пластиці порожнинних кісткових дефектів, локалізованих у зоні великого вертлюга стегнової кістки, не потребується міцнісних характеристик ГА кераміки. Це дозволяє використовувати біфазну кераміку, враховуючи її більшу здатність, у порівнянні з гідроксилапатитом, до біодеградації.

В умовах цементного реендопротезування кульшової западини з пластикою порожнинного дефекту КФ керамікою (пористий ГА, БФ кераміка, суміш з ГА та БФ кераміки у співвідношенні 50:50) найменший рівень напружень у кульшовій западині спостерігається при пластиці дефекту пористим ГА. Його використання дозволило суттєво знизити показники напружень у порівнянні з застосуванням БФ кераміки та більше наблизити їх до рівня напружень при первинному ендопротезуванні чи в нормі. Пластика дефекту сумішшю з ГА та БФ кераміки (50:50) призводить до деякого підвищення рівня напружень, але ці показники залишаються нижчими, ніж при окремому використанні БФ кераміки.

Результати клінічних випробувань диференційованого застосування різновидів кальцій-фосфатної кераміки при пластиці порожнинних кісткових дефектів у різних за навантаженням зонах підтвердили дані біомеханічного моделювання, яке було проведено за допомогою МКЕ.

Досвід застосування різновидів КФ кераміки у клінічних умовах дозволив визначити додаткові рекомендації щодо диференційованого використання у клінічних умовах різновидів КФ кераміки для пластики порожнинних кісткових дефектів.

При ревізійному ендопротезуванні кульшового суглоба пластика дефектів кульшової западини ІІ типу може проводитися за допомогою тільки КФ кераміки відповідної міцності. При дефектах кульшової западини ІІІ типу, коли порожнинні дефекти кульшової западини поєднуються з сегментарним дефектом її стінки, виникає необхідність у застосуванні структурного автотрансплантата з крила клубової кістки та (чи) протипротрузійного вкладиша.

При порожнинних дефектах стегнової кістки, що виникли внаслідок нестабільності ніжки ендопротеза кульшового суглоба та локалізуються в зонах великого чи малого вертлюгів, переважним є застосування БФ кераміки (за умов використання безцементної ніжки дистальної фіксації чи довгої цементної ніжки).

При пластиці кульшової западини під час первинного ендопротезування кульшового суглоба переважним є застосування комбінації з БФ кераміки та автокістки у вигляді “чипсів”. У даному випадку кісткові автотрансплантати сприймають первинні компресійні навантаження в місці імплантації, а гранули БФ кераміки поліпшують процес перебудови кісткових трансплантатів, не дозволяючи їм розсмоктатися під впливом навантажень.

Після операції з приводу ідіопатичного асептичного некрозу стегнової кістки I-II стадії (тунелізація та видалення некротичнних мас) виникає порожнинний дефект, розташований у різних за навантаженням зонах (головка, шийка та великий вертлюг стегнової кістки). Зважаючи на те, що методика передбачає тривале розвантаження нижньої кінцівки (10-12 міс), для заповнення таких дефектів переважним є використання гранул БФ кераміки. За даний час БФ кераміка, враховуючи її здатність до біодеградації, забезпечує формування міцного кістково-керамічного блоку.

Розширити використання гранул БФ кераміки дозволила комбінація їх з кірковими трансплантатами із авто- чи алокістки, а також підсилення керамічної конструкції за допомогою блоків з більш міцної корундової кераміки. Зміцнення конструкції необхідне у випадках, коли мають місце здуття кістки на значній ділянці (не менш ніж 1/4 сегмента) та суттєве витончення кіркового шару. Використання фрагмента малогомілкової кістки чи корундового блоку забезпечує міцність, а КФ кераміка потрібна для заповнення порожнини, що залишається між ними та кісткою. При дефектах великого розміру (більше 1/3 сегмента) перевагу має комбінація “кірковий автотрансплантат/БФ кераміка”. Кістковий автотрансплантат є більш міцним, ніж корундовий блок, та має остеогенні властивості, які прискорюють формування кістково-керамічного блоку та біодеградацію кераміки.

Додаткове використання структурних кісткових трансплантатів також необхідне при наявності патологічного перелому або дефекту кіркового шару. Кістковий трансплантат потрібен для надання додаткової міцності ушкодженій ділянці кістки, відновлення неперервності кіркового шару кістки та профілактики міграції керамічних гранул. При дефектах суглобової поверхні доцільним є використання демінералізованого кісткового матриксу в якості прошарку між кістковим трансплантатом та хрящем.

При наявності порожнинного дефекту, що займає менш ніж 1/4 сегмента та не привів до суттєвого стоншення кіркового шару кістки, БФ кераміка може використовуватися окремо, за винятком ділянок, що зазнають істотних навантажень (кульшова западина, шийка стегнової кістки, головка стегнової кістки в умовах стоншення кіркового шару).

Використати БФ кераміку при пластиці порожнинних дефектів також дозволяє одночасне застосування стабільної металоконструкції, що може бути необхідним у разі перелому кістки.

При пластиці дефектів, що виникли після резекції міжхребцевих дисків, переважним є використання більш міцних гранул ГА, доцільною є комбінація їх з демінералізованим кістковим матриксом для підвищення біодеградації та прискорення формування спондилодезу.

Наш досвід використання різновидів кальцій-фосфатної кераміки свідчить, що час появи рентгенологічних ознак остеоінтеграції кераміки та її біодеградація залежать від такого: 1) хімічний склад, структура та об’єм пористості кераміки; 2) ступінь функціонального навантаження у ділянці імплантації кераміки; 3) вік хворих та структурно-метаболічний стан кісткової тканини, що оточує кераміку; 4) наявність додаткових стимуляторів остеогенезу у вигляді кісткових автотрансплантатів чи демінералізованого кісткового матриксу.

Для “щільної” ГА кераміки час виникнення перших рентгенологічних проявів біодеградації в середньому складав один рік, для пористих ГА гранул – 6 місяців, а для біфазних гранул на основі ГА – три місяці. Ознаки остеоінтеграції кераміки та початку формування кістково-керамічного блоку для всіх видів КФ кераміки виявлялися вже через 3 міс, однак більш вираженими вони були при використанні БФ кераміки.

Вплив дозованого функціонального навантаження на темпи формування кістково-керамічного комплексу та біодеградації застосованих зразків кераміки добре простежувався на прикладі пластики порожнинних дефектів кульшової западини при первинному та ревізійному ендопротезуванні кульшового суглоба. Внаслідок навантажень, що зазнає кульшова западина, прискорювалися формування кістково-керамічного блоку та перебудова КФ кераміки.

При використанні “щільних” (мікропористих) гранул ГА спостерігали ознаки біодеградації, що не перевищували І-ІІ бали. Слабкі зміни кераміки (І бал) виникали в середньому через 1 рік після імплантації. Для появи задовільних змін (ІІ бали) потребувалося 3-4 роки. Ступінь біодеградації пористих ГА гранул складав ІІ-ІІІ бали, причому слабкі зміни спостерігалися вже через 6 міс після імплантації кераміки, а задовільні – через 1-1,5 роки. Хороші зміни (ІІІ бали) пористих ГА гранул виникали лише через 3-4 роки, а повної біодеградації (ІV бали, що відповідають відмінним змінам) у терміни спостереження до 5 років не відбулося. Як і очікувалося, найкращу біодеградацію відзначено при застосуванні пористої БФ кераміки. Так, початкова розмитість країв БФ гранул з пом’якшенням їх контурів (І бал) виникала через 3 міс після оперативного втручання. Обмежена резорбція кісткового замінника по периферії з втратою чіткості на межі “кераміка-кістка” та зниженням інтенсивності рентгенологічної тіні імплантованих гранул спостерігалася у терміни 9-12 міс. Через 1,5-2 роки після імплантації відзначали значну, але неповну резорбцію БФ кераміки із частковим заміщенням її кісткою (ІІІ бали). У декількох випадках через 3,5-4 роки спостереження мала місце повна біодеградація БФ кераміки (ІV бали). Але слід зазначити, що об’єм імплантованої кераміки у цих випадках був невеликим.

На швидкість біодеградації кераміки впливав також вік хворих – у віці до 18 років процеси її перебудови перебігали швидше. Так, у випадку використання БФ гранул перші ознаки перебудови (І бал) виявлялися на 3-4 тижня раніше, ніж у хворих більш старшого віку, а подальша біодеградація БФ кераміки перебігала активніше.

Слід відзначити, що біодеградація кераміки не є основною метою її застосування. Своєчасне формування кістково-керамічного блоку забезпечує бажаний результат – функціональне відновлення пацієнта.

Принцип диференційованого підходу до вибору пластичного матеріалу з урахуванням ступеня навантаження, що зазнає зона імплантації кераміки, та механічних властивостей кожного з різновидів КФ гранул дозволив забезпечити необхідну міцність ушкодженої ділянки кістки та оптимізувати перебіг регенерації кісткової тканини в зоні імплантації, сприяв ранньому навантаженню прооперованої кінцівки та прискоренню функціонального відновлення хворих, скоротив терміни та покращив віддалені результати лікування пацієнтів, що потребували пластики порожнинних кісткових дефектів внаслідок різноманітних захворювань та ушкоджень опорно-рухової системи.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу літературних даних щодо проблеми використання КФ матеріалів для пластики кісткових порожнин в ортопедії та травматології визначено вимоги до оптимального кісткового замінника та виявлено конфлікт між ними: підвищення здатності до тимчасової механічної функції потребує більш щільного кісткового замінника з ГА, а для покращання остеоінтегративних властивостей та біодеградації кераміки, здатності до переносу та поступового вивільнення стимуляторів остеогенезу потрібен високопористий імплантаційний матеріал з БФ кераміки.

2. Встановлено, що на процеси кісткової регенерації та перебудови кераміки впливають як умови навантаження у зоні імплантації, так і структурні особливості кераміки. Остеоінтеграційні процеси перебігають активніше у зонах з більшим навантаженням. Підвищення пористості КФ матеріалу та додавання ТКФ до ГА (БФ кераміка) покращують процеси кісткової регенерації навколо й усередині кісткового замінника та прискорюють його біодеградацію.

3. Визначено, що показники міцності кістково-керамічного блоку, утвореного після імплантації “щільних” зразків ГА, є вищими, ніж значення міцності кістково-керамічного комплексу при використанні пористої ГА чи БФ кераміки. Виявлена залежність міцності кістково-керамічного комплексу від ступеня навантаження зони імплантації кераміки – в ділянках скелета, що зазнають більших навантажень, міцність кістково-керамічного блоку є більшою.

4. За допомогою КЕ моделювання встановлено, що у нормі найбільших напружень проксимальний відділ стегнової кістки зазнає у верхній та нижній частинах шийки стегнової кістки. В головці стегнової кістки значення напружень по відношенню до шийки значно менші. Основне навантаження в ділянці головки стегнової кістки сприймає субхондральний шар кісткової тканини. Наявність змодельованих порожнин у різних ділянках стегнової кістки (головка, шийка чи вертлюг) призводить до зміни НДС проксимального відділу стегнової кістки. Характер та ступінь змін напружень залежать від локалізації дефекту – найбільш небезпечними є дефекти шийки та головки в умовах стоншення її субхондрального шару. Для заповнення дефектів головки стегнової кістки в умовах збереження субхондрального шару доцільніше використовувати БФ кераміку, при зменшенні товщини субхондрального шару необхідно застосовувати більш міцну ГА кераміку. Для реконструкції порожнин шийки стегнової кістки пріоритет має використання ГА (“щільного” чи пористого). При пластиці дефектів великого вертлюга доцільніше використовувати БФ кераміку. Для пластики порожнинного дефекту кульшової западини в умовах її цементного реендопротезування оптимальним є використання пористої ГА кераміки. Для прискорення формування кістково-керамічного блоку можливим є застосування суміші з пористої ГА та БФ кераміки у співвідношенні 50:50.

5. На прикладі проксимального відділу стегнової кістки та кульшової западини в умовах її реендопротезування вперше запропоновано методику визначення оптимального кісткового замінника для пластики кісткових порожнин із застосуванням МКЕ, в основу якої покладено об’єктивні критерії підбору – механічні властивості кісткового замінника та ступінь навантаження у зоні імплантації кераміки. Згідно з принципами нової методики та з огляду на клінічний досвід використання різновидів КФ кераміки, розроблено додаткові рекомендації щодо диференційованого використання запропонованих кісткових замінників для пластики кісткових порожнин.

6. Аналіз результатів застосування різновидів кальцій-фосфатної кераміки при лікуванні хворих з патологією опорно-рухової системи свідчить, що час появи рентгенологічних ознак остеоінтеграції КФ кераміки та її біодеградація залежать від такого: 1) хімічний склад, структура та об’єм пористості кераміки; 2) ступінь функціонального навантаження у ділянці імплантації кераміки; 3) вік хворих та структурно-метаболічний стан кісткової тканини, що оточує кераміку; 4) наявність додаткових стимуляторів остеогенезу у вигляді кісткових автотрансплантатів чи демінералізованого кісткового матриксу. Біодеградація кераміки не є основною метою її застосування. Своєчасне формування кістково-керамічного блоку забезпечує бажаний результат – функціональне відновлення пацієнта. У випадку первинного чи ревізійного ендопротезування кульшового суглоба, сформований кістково-керамічний блок із застосуванням гранул ГА здатний забезпечити більш адекватну опору для чашки ендопротеза, ніж сама кістка.

7. Різні види гранул ГА та біфазної кераміки, виготовлені за оригінальною методикою в ХНУ (кафедра фізики твердого тіла), виконували покладену на них функцію. Результати досліджень свідчать про високу ефективність кожного із запропонованих різновидів КФ кераміки для пластики кісткових порожнин. Поліпшити результати лікування хворих, що потребують пластики порожнинних кісткових дефектів, дозволяє диференційований підхід до використання запропонованих кісткових замінників з урахуванням ступеня навантаження, що зазнає зона імплантації кераміки, та механічних властивостей