Остеоинтеграция новых чрескожных имплантатов типа Press-fit с цинк-содержащим кальций-фосфатным покрытием в культю конечности в эксперименте

Применение транскутанных имплантатов для крепления протезов конечности является интенсивно развивающейся современной технологией восстановления функций утраченных конечности [1–6], особенно актуальной при протезировании костей нижней конечности [7, 8]. Основной проблемой развития данной технологии является необходимость существенного повышения характеристик приживаемости имплантата, которые зависят от его дизайна и наличия биопокрытий [9–13]. В части приемлемого дизайна остеоинтегрируемых имплантатов при протезировании длинных костей конечностей предпочтение все чаще отдают системам типа Press-Fit [14–19]. Среди дополнительных факторов, способствующих повышению качества остеоинтеграции титановых имплантатов типа Press-Fit, предлагают варианты их дополнительной фиксации и компрессионного нагружения протезируемой кости [20], а также нанесение на остеоинтегрируемую часть биоактивных и антибактериальных покрытий, в частности цинк-содержащих кальций-фосфатных покрытий [21–22].

Цель работы — экспериментальная оценка приживаемости оригинальных чрескожных имплантатов типа Press-Fit без покрытия поверхности остеоинтегрируемой части и с нанесенным цинк-содержащим кальций-фосфатным покрытием при одноэтапной остеоинтеграции.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование выполнено на 10 беспородных самцах собак возрастом от 1,5 до двух лет, масса — (19,2 ± 1,3) кг. Животным группы 1 ( n = 5) имплантировано изделие без покрытия, животным группы 2 ( n = 5) — с цинк-содержащим кальций-фосфатным покрытием.

Экспериментальных животных содержали в виварии НМИЦ ТО имени академика Г.А. Илизарова. Собаки находились в отдельных индивидуальных боксах с оборудованными емкостями для корма и воды, в качестве подстилки использовали сено. Клетки и боксы подвергали ежедневной влажной уборке. Корм животные получали один раз в день, чистую питьевую воду — без ограничений. Перед поступлением в эксперимент животные проходили карантин в течение 30 суток. Для оценки эффективности и безопасности применения экспериментальных образцов изделий длительность наблюдения после имплантации составила 26 недель.

До начала исследования получено одобрение локального этического комитета (протокол от 29.11.2024 № 1(76)). Исследование проведено с соблюдением принципов гуманного обращения с лабораторными животными в соответствии с требованиями Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментов и других научных целей, и Директивой 2010/63/EU Европейского парламента и Совета Европейского союза от 22.09.2010 по охране животных, используемых в научных целях.

Дизайн имплантата

Имплантаты изготовлены методом SLM-печати на 3D принтере DMP Flex 350 (США) из титанового порошка марки ПТН-8 российского производства, фракция 15–45 мкм. Дизайн описан авторами в патентах на полезную модель РФ № 194912 и 207637 [23, 24]. Фото имплантатов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид имплантатов типа Press-Fit

Для обеспечения приживаемости в трубчатой кости культи конечности конструкция погружной части имплантата выполнена в виде усеченного конуса с зубьями на заходной ступенчатой и калибрующей частях. Зубья заходной части выполнены с постепенным уменьшением диаметра каждого зуба к концу имплантата на величину D i – D i–1 = 0,1 мм (рис. 2, а).

Заходная ступенчатая часть имеет зубья с режущими кромками и канавки для срезаемой костной стружки, которая выполняет функцию аутологичного материала (рис. 2, б, в). В режущих зубьях заход-ной части выполнены отверстия, соединенные со сквозным каналом внутри имплантата для подачи лекарственных средств. Сквозной канал закрыт заглушкой.

Режущие кромки на зубьях заходной и калибрующей частей наклонены под углом 5° (рис. 2, в). Расположение кромок по окружности зубьев показано на рис. 2, г. Плоские участки на зубьях обеспечивают подвод лекарственных средств в системе «кость – имплантат».

Рис. 2. Имплантат типа Press-Fit для протезирования культей трубчатых костей: а — схематическое изображение; б — объемное изображение заходной части; в — продольное сечение заходной части; г — поперечные сечения заходной части

Нанесение покрытия

Для получения имплантов группы 2 проводили модифицирование поверхности остеоинтегрируемой части изделий путем нанесения цинк-содержащего кальций-фосфатного покрытия. Нанесение покрытий осуществляли методом микродугового оксидирования (МДО), позволяющим осаждать однородное покрытие на поверхности образцов сложной геометрической формы любого типоразмера. Полупромышленная установка МДО Micro-Arc 3.0 (ИФПМ СО РАН, Томск) включает в себя высоковольтный источник импульсного тока, электролитическую водоохлаждаемую титановую ванну (катод), титановые держатели образцов (анод) и компьютер для управления процессом МДО [21, 25, 26]. Состав суспензии и электрофизические параметры нанесения покрытий приведены в работе М.В. Стогова с соавт. [21]. Входящий в состав суспензии цинк-замещенный гидроксиапатит получен механохимическим синтезом [27]. Сформированные на имплантатах покрытия имели толщину 30–35 мкм и шероховатость поверхности Ra = 2,0 – 2,5 мкм. В наших предыдущих работах [28, 29] детально охарактеризованы микроструктура, фазовый и химический составы, физико-химические и механические свойства покрытий. Длительность стерилизационной обработки в сухожаровом шкафу составляла 60 мин при температуре 180 °С.

Установка имплантата в культю конечности

Исследование особенностей остеоинтеграции, а также оценку профиля безопасности и определение ограничений, связанных с эксплуатацией изделия на постампутированной конечности, выполняли опытным путем на двух группах беспородных собак. Операции проводили двухэтапно в стерильных условиях под внутривенным наркозом пропофолом 10 мг/мл с предварительной премедикацией.

На первом этапе формировали культю конечности, для чего выполняли разрез кожи в области средней трети голени с медиальной поверхности, мягкие ткани препарировали и осуществляли остеотомию голени осциллирующей пилой на границе верхней трети и средней трети. После формирования культи послойно ушивали мягкие ткани.

Второй этап эксперимента проводили через 10 недель. В ходе повторной операции в области культи формировали кожный лоскут, адаптированный к краям кости. Далее костномозговой канал рассверливали с учетом диаметра имплантата, в нашем случае — до 7 мм. Имплантат забивали в отверстие точно направленными короткими ударами молотка (рис. 3).

Рис. 3. Фото процедуры установки имплантата типа Press-Fit в трубчатую кость

Для выхода наружной части имплантата в кожном лоскуте формировали отверстие, после чего моделировали культю и послойно ушивали мягкие ткани. Для предотвращения расшатывания и задания компрессионной нагрузки 20 Н на протезируемую кость в течение первых пяти недель после операции имплантат фиксировали специальным устройством (рис. 4, б) [30].

Оценка остеоинтеграции

Для оценки эффективности (приживаемости) и безопасности применения имплантатов выполняли комплекс клинических, рентгенологических, гистологических и лабораторных исследований.

Клиническое наблюдение за животными (физикальное обследование, определение локального статуса, состояние мягких тканей и послеоперационных ран) проводили на протяжении всего периода наблюдения.

Для рентгенографии использовали рентгеновский аппарат Compact (Милан, Италия). Сила тока составляла 60 мА, напряжение — 57–69 кВ, время экспозиции — 0,4–0,6 с. Конкретные параметры работы аппарата зависели от конституции животного. Рентгенографию конечности в прямой и боковой проекциях выполняли до и после оперативного вмешательства, через каждые семь дней после операции в первые пять недель, а затем один раз в 14 дней эксперимента.

Рис. 4. Рентгенограмма голени собаки после установки имплантата (а) и устройство фиксации и компрессионного нагружения (б): 1 — бедренная кость; 2 — большеберцовая кость; 3 — имплантат; 4 — устройство фиксации и компрессионного нагружения в сборе; 5 — силиконовый протез; 6 — пружина жесткости, Fн — компрессионная нагрузка

Гистологическое исследование

Весовую долю Са и Р (в вес. %) в разных областях культи большеберцовой кости с интегрированным имплантатом определяли с использованием электронного сканирующего микроскопа Zeiss EVO MA18 (Carl Zeiss Group, Германия) и энергодисперсионного спектрометра BRUKER QUANTAX 200 - XFlash 6/10 (Bruker Nano GmbH, Германия), смонтированного на базе микроскопа. Рабочее ускоряющее напряжение составляло 20 кВ. Сбор и анализ данных выполняли с помощью программного обеспечения ESPRIT (Bruker Nano GmbH, Германия).

Биохимическое исследование

Определение концентрации общего белка, мочевины, креатинина, общего кальция, неорганического фосфата, С-реактивного белка (СРБ), а также активности щелочной (ЩФ) и тартратрезистентного (костного) изофермента кислой (ТрКФ) фосфатазы, трансаминаз (АСТ, АЛТ) в сыворотке крови экспериментальных животных выполняли на автоматическом биохимическом анализаторе Hitachi/BM 902 (F. Hoffmann-La Roche Ltd., Италия) с использованием наборов реагентов фирм Витал Диагностикс и БиоСистемс (Россия).

Статистические методы исследования

Результаты в таблицах представлены в виде медианы и 1–3 квартилей (Me, Q1–Q3), медианы и минимального и максимального значений (Me, min–max), а также в виде среднего арифметического значения и стандартного отклонения (Х ± SD). Процедуру статистической оценки значимости отличий количественных показателей на сроках эксперимента с дооперационными значениями проводили с использованием W-критерия Вилкоксона для связанных выборок. Достоверность межгрупповых различий оценивали с помощью Т-критерия Манна – Уитни, для частотных показателей применяли критерий Барнарда, значимыми считали различия при p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Клиническое состояние всех животных после проведения имплантации было удовлетворительным с сохранением устойчивости установленных имплантатов. Через неделю после операции, несмотря на перемежающуюся хромоту, все собаки начинали пользоваться прооперированной конечностью. К четвертой неделе эксперимента у собак обеих групп наблюдали лишь незначительную остаточную хромоту, которая полностью нивелировалась на шестой неделе исследования.

У одного животного группы 1 в ранний послеоперационный период наблюдали воспаление в области спиц компрессионного устройства. Воспаление купировано в течение недели с помощью обработки антисептическим раствором и противовоспалительной мазью. Следует отметить, что у всех животных данной группы в ранний послеоперационный период определяли гиперемию в районе контакта кожи и имплантата, которая также исчезала в течение семи дней на фоне применения противоотечной мази на основе гепарина.

В группе 2 у одной собаки разошелся один шов, однако рана зажила первичным натяжением. Воспалительных явлений в раннем послеоперационном периоде у животных данной группы не обнаружено.

Через шесть недель после установки имплантата компрессионное устройство снимали. У животных обеих экспериментальных групп имплантат был стабилен, однако у собак группы 1 отмечали отдельные признаки резорбции кости, незначительные периостальные напластования в дистальной части кости (рис. 5, а). Во второй группе, напротив, появлялись напластования вблизи «стопорного кольца», что свидетельствовало об активном эндостальном костеобразовании в зоне имплантации (рис. 5, б).

Через 26 недель после имплантации у всех животных сохранялась стабильность имплантата. У животных группы 1 отмечали органотипическую перестройку кости и компактизацию периостальных напластований (рис. 6, а). У животных группы 2 к этому сроку уже определяли завершение органотипической перестройки кости вокруг имплантата (рис. 6, б).

Рис. 5. Фрагменты рентгенограмм голени собаки группы 1 (а) и группы 2 (б) через 42 дня после операции

Рис. 6. Фрагменты рентгенограмм голени собаки группы 1 (а) и группы 2 (б) через 180 дней после операции

Наблюдаемая рентгенологическая картина свидетельствует о признаках более выраженного остеогенеза в системе «имплантат – кость» у животных группы 2.

В обеих группах к окончанию эксперимента (26 недель) формировался единый костно-имплантационный блок (рис. 7), в котором имплантат был полностью интегрирован в костную ткань. По всему периметру поверхности имплантатов в обеих группах формировалась губчатая костная ткань, преимущественно мелкоячеистого, а в некоторых участках среднеячеистого строения. На всем протяжении костно-имплантационного блока компактная пластинка была непрерывной и достаточно плотной.

Рис. 7. Фото, демонстрирующие формирование блока «кость – имплантат» через 26 недель после имплантации: а — распил проксимальной части большеберцовой кости собаки группы 1 (без покрытия); б — распил проксимальной части большеберцовой кости собаки группы 2 (с покрытием); в — распил диафиза культи большеберцовой кости собаки группы 1 (без покрытия); г — распил диафиза большеберцовой кости собаки группы 2 (с покрытием). Ув. 1,5×

По данным энергодисперсионного анализа содержание кальция в костной ткани во всех зонах костноимплантационных блоков животных группы 1 было достоверно ниже, чем в группе 2 (табл. 1), а содержание фосфора в группе 1 было достоверно выше, чем в группе 2. Исключение составили области компактной пластинки в дистальной части и губчатая кость, формируемая вокруг имплантата в средней части культи большеберцовой кости, где содержание фосфора в обеих группах было идентичным и не имело достоверных различий. В обеих группах в зоне компактной пластинки концентрация определяемых элементов была незначительно выше в дистальной части. Меньшее содержание остеотроп-ных элементов отмечено в проксимальной части костной культи. Эндостально образованная костная ткань, локализованная вокруг имплантата, в обеих группах содержала меньшее количество кальция и фосфора по сравнению с компактной пластинкой в каждой из анализируемых зон обеих групп.

Таблица 1

Содержание Са и Р в различных участках костно-имплантационного блока через 26 недель после имплантации

Группа	Элемент	Содержание Ca и P (вес.%), X ± SD
		Дистальная часть		Средняя часть		Проксимальная часть
		Компактная пластинка	Вокруг имплантата	Компактная пластинка	Вокруг имплантата	Компактная пластинка	Вокруг имплантата
1	Ca	18,4 ± 0,14	8,37 ± 0,23	16,16 ± 0,97	8,99 ± 0,71	14,12 ± 0,43	6,16 ± 0,13
	P	9,90 ± 0,31	4,98 ± 0,42	9,02 ± 0,23	4,87 ± 0,04	6,98 ± 0,25	3,04 ± 0,04
2	Ca	19,9 ± 0,84*	9,60 ± 0,17*	18,1 ± 0,67*	9,98 ± 0,91	16,97 ± 0,83*	8,61 ± 0,11*
	P	9,10 ± 0,85	3,99 ± 0,12*	8,89 ± 0,09*	4,78 ± 0,07	6,36 ± 0,17*	3,63 ± 0,07*

Примечание : * — значимость различий при р < 0,05 по сравнению группой 1.

Динамика изменения активности ЩФ обнаруживала рост относительно дооперационных значений у животных группы 1 на третьей и шестой неделях после имплантации, в группе 2 — на шестой и 12-ой неделях (табл. 2). При этом на шестой и 12-ой неделях активность ЩФ у животных группы 2 была выше, чем у животных группы 1. Активность ТрКФ в группе 1 была выше дооперационного уровня на шестой и 26-ой неделях после имплантации, в группе 2 она была снижена на третьей неделе и повышена на 26-ой, при этом значения были значимо выше относительно значений группы 1 на данных сроках. Отмечено разовое снижение уровня общего кальция в сыворотке крови собак группы 1 на третьей неделе после имплантации. Такие изменения указывают на более значительную активацию остеогенеза у животных группы 2 в сравнении с группой 1.

Также не отмечено различий динамики изменения уровня общего белка, мочевины, креатинина и активности трансаминаз (АЛТ, АСТ) у животных изученных групп (данные не представлены). Однако у животных группы 1 на третьей неделе после имплантации был достоверно повышен уровень СРБ относительно дооперационных значений, чего мы не наблюдали у всех животных группы 2.

Таблица 2

Изменение активности фосфатаз и концентрации общего кальция и неорганического фосфата в сыворотке крови собак после имплантации

Неделя	Группа	Активности и концентрации, Me (Q1–Q3)
		ЩФ, Е/л	ТрКФ, Е/л	Кальций, ммоль/л	Фосфат, ммоль/л
0	1	36 (29–42)	4,85 (4,78–4,93)	2,60 (2,57–2,63)	1,20 (1,09–1,30)
	2	37 (33–41)	4,40 (4,22–4,95)	2,58 (2,44–2,61)	1,25 (1,12–1,42)
3	1	62* (59–65)	4,50 (3,90–5,10)	2,50* (2,46–2,54)	1,30 (1,23–1,37)
	2	38 (33–60)	3,40*(2,03–3,60)	2,58 (2,44–2,62)	1,45 (1,23–1,47)
6	1	54*(50–58)	5,85*(5,73–5,98)	2,64 (2,62–2,67)	1,29 (1,22–1,36)
	2	64*(60–76)	3,70 (2,23–5,08)	2,59 (2,54–2,64)	1,13 (1,09–1,27)
12	1	38 (30–45)	4,50 (4,12–5,12)	2,61 (2,50–2,64)	1,28 (1,21–1,38)
	2	67*(58–93)	3,85(3,45–4,43)	2,60 (2,56–2,65)	1,24 (1,24–1,29)
26	1	43 (36–61)	8,30*(7,05–9,55)	2,68 (2,53–2,70)	1,43 (1,32–1,55)
	2	39 (26–53)	5,90*(5,15–6,10)	2,54 (2,52–2,58)	1,24 (1,17–1,31)

Примечание : * — различия с дооперационными (срок 0) значениями при p < 0,05; жирный шрифт — различия показателя с группой 1 при p < 0,05.

Таким образом, по данным гистологического исследования можно заключить, что имплантаты резьбового типа Press-Fit как без покрытия, так и с цинк-содержащим кальций-фосфатным покрытием, имели приемлемые характеристики остеоинтеграции. При этом остеоинтегративные качества имплантата типа Press-Fit с покрытием были выражены в большей степени, что подтверждается количественными характеристиками, полученными в результате гистологического исследования. Формирование более плотных и минерализованных структур на поверхности имплантата с биоактивным покрытием предотвращало отток кальция из компактной пластинки костной культи. Кроме того, цинк-содержащее кальций-фосфатное покрытие способствовало формированию более плотной костной муфты вокруг имплантата в дистальной части культи, что является положительным моментом при стабилизации имплантата в кости в месте перехода имплантата в абатмент.

Полученные данные лабораторного исследования показывают отсутствие каких-либо выраженных патологических изменений показателей, характеризующих системный ответ организма на имплантацию (включая реакцию висцеральных органов, — печень, почки). Отмеченные отдельные изменения, такие как рост СРБ, можно отнести к ожидаемым изменениям, связанным с реакцией организма на имплантацию, тем более что эти изменения были переходящими.

В целом, проведенный комплекс гистологических и лабораторных исследований, а также клинические наблюдения позволяют отметить отсутствие существенных локальных и системных нарушений у животных обеих групп в период остеоинтеграции имплантатов, что свидетельствует об их достаточно хорошей переносимости. При этом изделия с цинк-содержащим кальций-фосфатным покрытием имеют более выгодный профиль безопасности в сравнении с изделием без покрытия.

ОБСУЖДЕНИЕ

К настоящему времени формируется мнение об определенных преимуществах применения транскутанных имплантатов типа Press-Fit для решения задач протезирования, позволяющих, в частности, реализовывать одноэтапность процесса интеграции, что снижает частоту осложнений [31] и повышает выживаемость имплантата [32]. Литературные данные [33] и данные нашего исследования показывают отсутствие при применении имплантатов типа Press-Fit каких-либо выраженных нежелательных реакций на имплантацию, включая реакцию висцеральных органов (печень, почки и др.).

Совершенствование имплантатов такого типа для протезирования идёт в нескольких направлениях: совершенствование конструкции изделия и его материалов [34, 35], в том числе и попытка персонализировать имплантат [36]; модификация поверхности интегрируемой части, включая нанесение дополнительных покрытий, способствующих интеграции [37–39]; управление нагрузкой на имплантат [40, 41]. Эти принципы также были реализованы нами в выполненном исследовании, демонстрирующем преимущества использования цинк-содержащего кальций-фосфатного покрытия в условиях применения компрессионной нагрузки на имплантат за счет повышения эффективности остеоинтеграции и профиля безопасности, что согласуется с литературными данными [42].

Таким образом, результаты исследования подтверждаются данными, приведенными в отечественной и зарубежной научной литературе, и расширяют доказательную базу эффективности применения титановых SLM имплантатов типа Press-Fit с цинк-содержащим кальций-фосфатным покрытием в осте-оинтеграционном протезировании.

Ограничения исследования . В данном исследовании остеоинтеграция изделий выполнена у небольшого количества животных. Отсутствие отдаленных результатов приводит к необходимости дополнительных сравнительных исследований стабильности интеграции имплантатов с покрытием данного типа в долгосрочной перспективе. Кроме того, растущий опыт применения технологи остеоинтеграции для задач протезирования показывает необходимость разработки специального инструментария для удаления имплантатов (инфицирование, переустановка, износ) [43].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные данные демонстрируют, что оба изделия достаточно интегрируемы в костную культю и не имеют выраженных ограничений при применении по показаниям. Учитывая подход, требующий при использовании имплантируемых медицинских изделий исходить из минимизации рисков, связанных с их эксплуатацией, можно отдать предпочтение изделию с цинк-содержащим кальцийфосфатным покрытием как изделию, имеющему определенные преимущества в эффективности остеоинтеграции и ее безопасности.