Исследование физико-механических свойств импрегнированной полимерной композиции в аспекте клинического применения в гнойной остеологии

Введение. В медицине использование костного цемента (КЦ) на основе полиметилметакрилата (ПММА) является общепризнанным. КЦ применяют в различных областях хирургии, в частности при эндопротезировании суставов, онкопротезировании, пункционной вертебропластике, краниопластике, костной пластике дефектов костей различной этиологии, костной патологии [1]. Одним из направлений использования КЦ на основе ПММА является гнойная остеология [2–9].

С целью импрегнации акрилового КЦ используют только термостабильные антибиотики, так как температура экзотермической реакции полимеризации достигает высоких цифр, что может привести к инактивации антимикробного препарата [10, 11].

Согласно ГОСТ ISO 5833–2011 «Имплантаты для хирургии. Акрилцементы» (введен в действие 01.01.2013) температура экзотермической реакции полимеризации акрилового КЦ не должна превышать 90±5 °С. Однако в научной литературе встречаются весьма противоречивые данные о температуре процесса полимеризации акрилового КЦ различных коммерческих фирм. Так, Р.М. Тихилов и В.М. Шаповалов (2008) в руководстве по эндопротезированию тазобедренного сустава указывают данные о температуре полимеризации различных марок акрилового КЦ в интер- вале от 36 до 69 °С [12]. Н.В. Загородний (2012) в монографии, посвященной эндопротезированию тазобедренного сустава, приводит данные о температуре экзотермической реакции, достигающей 120–140 °С и зависящей от различных факторов, в т.ч. от толщины цементной мантии [13]. А.Е. Лоскутов и Е.В. Васильченко (2013), ссылаясь на зарубежных авторов, говорят о температуре полимеризации от 80 до 124 °С [14]. По сведениям Г.В. Куропаткина и И.Ф. Ахтямова (2014), температура экзотермической реакции на границе контакта «цемент – кость» составляет 60–80 °С [1]. А.Г. Самохин и соавт. (2018) приводят данные о «штатной» температуре экзотермической реакции полимеризации акрилового КЦ в 50–70 °С [15].

По мнению Н.К. Вознесенского и соавт. (2012), температура экзотермической реакции полимеризации ПММА, регистрируемая в центре полимерной композиции и зависящая от объема используемого ПММА, достигает 123±2 °С, температура губчатой костной ткани на границе «цемент – кость» – 80±3 °С, а на расстоянии (глубине) 2,5 мм от зоны контакта «цемент – кость» – 47,5 °С в течение более двух минут [16].

Однако в большинстве случаев авторы ссылаются на зарубежные исследования. Кроме того, несмотря на многочисленные возможности применения акрилового КЦ, в отечественной литературе крайне ограничено количество исследований, посвященных его физико-химическим свойствам.

Цель исследования. Оценить в эксперименте in vitro температуру экзотермической реакции полимеризации костного цемента на основе полиметилметакрилата и возможные пути ее снижения.

Материалы и методы. Проведена серия опытов in vitro с использованием КЦ на основе ПММА Synicem 1 (Франция), КЦ на основе ПММА Palacos^®MV+G (Германия), одноразовой вакуумной системы для смешивания и введения костного цемента Synimix V (Франция), бесконтактного инфракрасного термометра ADA TemPro 300 (Китай), гигрометра психрометрического ВИТ-2 (Россия), коммерческого препарата бактериофагов

«Секстафаг» (серия П773, дата выпуска 08.2015, ФГУП «НПО Микроген», Россия), антибактериальных препаратов цефотаксим и гентамицин, секундомера электронного.

В ходе исследования проведены 8 серий по 4 опыта. В первой серии проводили ручное смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 в стеклянной таре. Во второй серии – ручное смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с антибактериальным препаратом цефотаксим (масса препарата – 10 % от массы упаковки КЦ). В третьей серии проводили ручное смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с антибактериальным препаратом цефотаксим (20 % от массы упаковки КЦ). В четвертой серии – ручное смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с раствором антибиотика гентамицин (480 мг антибиотика). В пятой серии проводили ручное смешивание предварительно охлажденных до 5 °С компонентов упаковки КЦ Synicem 1. В шестой серии – ручное смешивание в стеклянной таре компонентов упаковки КЦ Synicem 1 с раствором коммерческого препарата бактериофагов «Секстафаг» (50 % от объема мономера). В седьмой серии – ручное смешивание компонентов упаковки КЦ Synicem 1, но количество мономера было уменьшено на 50 % и составило 10 мл; дополнительно в полимерную композицию добавили раствор коммерческого препарата бактериофагов «Секстафаг» (10 мл). В восьмой серии экспериментов проводили ручное смешивание компонентов упаковки КЦ (40 г) Palacos®MV+G в стеклянной таре.

Исследования во всех сериях эксперимента проводили в операционной с температурой окружающей среды от 22,4 до 23 °С, измеряемой при помощи гигрометра психрометрического ВИТ-2. В каждой серии после смешивания компонентов полимерной композиции изготавливали вручную (лепили) диск диаметром 45–50 мм, толщиной 5–6 мм. Измерение температуры протекающей экзотермической реакции осуществляли на поверхности диска при помощи бесконтактного инфракрасного термометра ADA TemPro 300 в режиме постоянного сканирования, прибор был направлен перпендикулярно поверхности диска и находился на расстоянии 30 см от его поверхности. При этом фиксировали максимальную температуру протекающей экзотермической реакции (°С).

Для статистической обработки результатов использовали компьютерный пакет Statistica for Windows 10.0. Данные представляли в зависимости от вида распределения: при нормальном распределении – в виде M±SD, где M – среднее арифметическое, SD – стандартное отклонение; при распределении, отличном от нормального, – в виде Me (ИКР), где Me – медиана, ИКР – интерквартильный размах (25 процентиль – 75 процентиль). Достоверность различий между параметрами определяли с помощью параметрического критерия t Стьюдента для непарных переменных и непараметрического критерия Манна – Уитни. Различия считали статистически значимыми при р<0,05.

Результаты и обсуждение. Средняя температура экзотермической реакции полимеризации КЦ на основе ПММА Synicem 1 составила 92,8±1,6 °С (min – 91,2 °C, max – 94,9 °C), на основе Palacos^®MV+G – 92,7±1,2 °С (min – 91,1 °C, max – 93,8 °C) (табл. 1). В литературе приводятся данные о немедленном ожоге костной ткани при температуре 72 °С [1]. В связи с этим очевидно, что экзотермическая реакция полимеризации КЦ на основе ПММА, вероятнее всего, приведет к термическому ожогу костной ткани.

Таблица 1

Table 1

Температура экзотермической реакции полимеризации костного цемента, полученная в ходе исследования, °С

Temperature of exothermic reaction of bone cement polymerization, obtained during the study, °С

Серия, № Series, No	Опыт № 1 Experiment No 1	Опыт № 2 Experiment No 2	Опыт № 3 Experiment No 3	Опыт № 4 Experiment No 4	Среднее значение в серии Series average
1	91,2	94,9	92,3	92,8	92,8±1,6
2	88,9	90,8	89,2	90,1	89,8±0,9
3	79,3	90	89,4	84	85,7±5,0
4	90,6	87,1	86,4	87,2	87,8±1,9
5	89,7	89,6	88,3	95,8	90,9±3,4
6	88,1	87,3	87,9	90,5	88,5±1,4
7	58,2	55,2	57,0	55,6	56,5±1,3
8	92,4	93,8	91,1	93,5	92,7±1,2

Добавление в состав полимерной композиции акрилового КЦ антибактериального препарата в виде порошка объемом 10 или 20 % от массы упаковки, или 12 мл раствора гентами- цина, или 10 мл раствора бактериофагов приводит к снижению температуры экзотермической реакции полимеризации. Достоверное снижение среднего показателя температуры экзотер- мической реакции полимеризации по сравнению с данными, полученными в 1-й серии экспериментов, наблюдалось во 2-й (92,8±1,6 и 89,8±0,9 °С соответственно, р1-2=0,004), 3-й (92,8±1,6 и 85,7±5,0 °С, р1-3=0,04), 4-й (92,8±1,6 и 87,8±1,9 °С, р1-4=0,004) и 7-й (92,8±1,6 и 56,5±1,3 °С, р1-7<0,001) сериях.

Также отмечалась тенденция к снижению среднего показателя температуры экзотермической реакции полимеризации в 5-й серии, однако отличия от данных 1-й серии были недостоверны (92,8±1,6 и 90,9±3,4 °С, р 1-5 =0,4).

Таким образом, добавление антибактериальных препаратов: цефотаксима 10 и 20 % и гентамицина – приводит к снижению среднего показателя температуры экзотермической реакции полимеризации костного цемента на 3, 7 и 5 °С соответственно. Также отмечалось достоверное снижение среднего показателя температуры экзотермической реакции полимеризации костного цемента при добавлении коммерческого препарата бактериофагов «Секстафаг» на 4 °С и уменьшение на 36 °С при уменьшении количества мономера.

По литературным данным, одним из способов снижения температуры процесса полимеризации КЦ на основе ППМА является предварительное охлаждение его компонентов [1]. Однако в проведенном нами исследовании предварительное охлаждение компонентов КЦ на основе ПММА Synicem 1 до 5 °С (6-я серия исследования) привело к достоверному снижению среднего показателя температуры экзотермической реакции по сравнению с данными 1-й серии всего лишь на 4 °С (92,8±1,6 и 88,5±1,4°С соответственно, р 1-6 =0,03). В то же время предварительное охлаждение компонентов приводит к увеличению рабочего времени и времени застывания КЦ на основе ПММА. Предварительное охлаждение компонентов КЦ целесообразно проводить при неконтролируемой температуре в операционной, когда есть угроза раннего застывания полимерной композиции, а также при добавлении большого количества антибактериальных препаратов (вследствие срыва процесса полимеризации).

Не исключено, что предварительное охлаждение компонентов эндопротеза, армирующих элементов или специальных пресс-форм для изготовления антимикробных спейсеров будет способствовать снижению температуры полимеризации, однако это необходимо подтвердить экспериментально.

В литературе имеется указание на снижение температуры экзотермической реакции полимеризации КЦ при изменении соотношения мономера и полимера от 1:2 до 1:3 [1]. Согласно проведенному нами исследованию in vitro уменьшение количества мономера до 50 % от исходного (заводского) значения, когда соотношение полимера и мономера становится равным 4:1, с одновременным добавлением препарата «Секстафаг» (10 мл) приводит к резкому снижению температуры экзотермической реакции полимеризации: средний показатель температуры экзотермической реакции полимеризации в 7-й серии по сравнению с данными, полученными в 1-й серии, снижен на 36 °С.

При изготовлении антимикробных спей-серов необходимо знать температуру полимеризации КЦ in vitro , а не на границе «цемент – кость», так как процесс полимеризации протекает вне организма человека, и рассеивание тепловой энергии будет зависеть от окружающей среды. Приведен перечень термостабильных антибиотиков, которые можно добавлять в ПММА с целью придания полимерной композиции антимикробных свойств [17, 18].

Помимо этого, необходимо отметить выявленный эффект «вскипания» поверхности полимеризующейся массы при добавлении в КЦ 12 мл раствора антибиотика (гентамицина сульфат) или 10 мл раствора бактериофага (серия 4 и серия 5). Данный эффект отмечен при достижении максимальной температуры экзотермической реакции полимеризации и, вероятнее всего, обусловлен расширением, а возможно, и закипанием добавленных растворов антимикробных веществ. Однако выход газа с разрывом поверхности «диска» не происходит, хотя его поверхность деформируется (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид образцов костного цемента:

А – застывшего костного цемента Synicem 1 без добавления антибактериальных препаратов;

Б – застывшего костного цемента Synicem 1 с добавлением 480 мг раствора гентамицина (отмечается деформация поверхности);

В – застывшего костного цемента Palacos®MV+G

Fig. 1. Bone cement samples:

A – solid bone cement Synicem 1 without antibacterial drugs;

Б – solid bone cement Synicem 1 with 480 mg of gentamicin solution (surface deformation is observed); В – solid bone cement Palacos®MV+G

Это необходимо учитывать, так как возможно формирование «макрополостей» и нарушение механических свойств застывшей полимерной композиции. В результате чего возможно разрушение спейсера, антимикробного покрытия штифта, «цементной мантии» эндопротеза или спейсера (рис. 2).

Рис. 2. Макрополость в застывшем костном цементе Synicem 1 (интрамедуллярный спейсер без армирования; формирование спейсера при помощи силиконовой трубки)

Fig. 2. Macrocavity in solid bone cement Synicem 1 (intramedullary spacer without reinforcement; spacer formation with silicone tube)

Заключение. Одним из способов уменьшения температуры экзотермической реакции in vitro является изменение соотношения порошка полимера и жидкого мономера в сторону уменьшения количества вводимого в со- став полимерной композиции мономера. Полученные экспериментальные данные целесообразно учитывать в рутинной клинической практике для предупреждения развития инфекционных периоперационных осложнений.