Результаты применения различных видов имплантов при замещении остеомиелитических дефектов длинных костей в эксперименте

В структуре заболеваний опорно-двигательного аппарата хронический остеомиелит составляет 10-25 % [6, 7]. При этом рецидивы остеомиелита отмечаются у 20-30 % больных, что приводит к высокой частоте вторичных ампутаций и функциональной неполноценности конечности в 10,3-57 % наблюдений [1, 18]. Вторичные изменения, обусловленные перенесенным тяжелым воспалительным процессом, приводят к серьезным нарушениям структуры и функциональных регенеративных возможностей костной ткани [5, 8, 11]. Замещение образовавшихся вторичных полостей и дефектов в таких условиях представляется сложной проблемой, до настоящего времени не имеющей однозначного решения [6, 11]. Важным элементом оперативного

лечения хронического остеомиелита является санация полостей и замещение дефектов, сформировавшихся в результате процесса и оперативного лечения [3, 13, 15]. Наряду с уже ставшим классическим методом формирования костного регенерата в режиме дистракции по принципу академика Г.А. Илизарова разрабатываются варианты замещения костных дефектов аллокостью и материалами с остеокондуктивным потенциалом на основе сульфата кальция, гидроксиапатита, трикальцийфосфата и др. [6, 14, 16, 17]. Однако их недостаточная механическая прочность требует длительной иммобилизации. Высокой резистентностью к механическим нагрузкам обладает другая группа материалов, таких как пористые металлы – нитинол и тантал, импланты из коралла и др. [3]. Но их применение делает проблемным остеоинтеграцию с окружающей костью. Нанокомпозитные углеродные материалы совмещают достаточные прочностные параметры с возможностью биологической интеграции, что делает их перспективными с точки зрения возможного замещения костных дефектов остеомиелитического происхождения.[9, 19].

Цель исследования : изучить в эксперименте результаты применения нанокомпозитного углеродного материала в сравнении с аллокостным и пористым керамическим имплантами для замещения остеомиелитических дефектов длинных костей.

Задачи :

• 1.    Получить в эксперименте на животных остеомиелит длинных костей с формированием костного дефекта.

• 2.    Отработать технологию замещения остеомиелитического костного дефекта путем имплантации аугментов из наноструктурного углеродного материала, аллокости и пористого керамического импланта.

• 3.    Изучить динамику формирования костного регенерата на основе клинических данных и рентгенологических параметров в зоне имплантата.

• 4.    Провести сравнительную оценку механической прочности полученных экспериментальных блоков на границе «кость-имплант».

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальные исследования проводились на 20 здоровых беспородных половозрелых кроликах обоего пола, подобранных по принципу аналогов. Исследования выполнялись с соблюдением принципов гуманности, изложенных в директивах Европейского сообщества (86/609/ЕЕС) и Хельсинкской декларации.

Первым этапом всем животным проводилось моделирование остеомиелита [2]. Под внутривенной анестезией после обработки операционного поля по переднемедиальной поверхности левого предплечья животным производили разрез кожи длиной 3 см. Мышцы разводили тупым способом. В области передней поверхности диафиза левой лучевой кости выполняли перфорацию одного кортикального слоя. Вскрывали костномозговой канал, затем в него вводили по 0,5 мл суспензии St. aureus [6]. К 7-ым суткам у всех животных наблюдались явления местной воспалительной реакции в виде отека, местной гиперемии, повышении температуры, формирования свищей, рентгенологически сопровождавшиеся отеком мягких тканей, периоститом. Через 2 недели животных повторно оперировали, выполняли некрсеквестрэктомию и получали стандартный дефект размером 0,5 см. Животные были разделены случайным образом на три группы (по 5 особей): 1 группа – проведена имплантация углеродного наноструктурного импланта; 2 группа – проведена имплантация заводского биоимпланта аллогенного костного; 3 группа – проведена имплантация керамического импланта. Использовали углеродный наноструктурный имплант (рис. 1), состоящий из углеродных стержней, связанных углеродной матицей во взаимно перпендикулярных плоскостях с заявленной пористостью 15 %, керамический имплант (рис. 2), разработанный для эксперимента в условиях лаборатории Омского Государственного Классического Университета. Имплант был получен путем формовки и обжига по совместно разработанным чертежам. Также использовался биоимплант аллогенный костный (рис. 3), полученный из деминерализованного костного композита в заводских условиях. Имплант фиксировался в зоне де- фекта обвивным швом за интактную локтевую кость, после чего рана послойно ушивалась наглухо.

Рис. 1. Углеродный имплант

Рис. 2. Керамический имплант

Рис. 3. Аллогенный костный имплант

По результатам посевов всем животным была назначена антибиотикотерапия – внутримышечное введение цефтриаксона 0,5 грамма 2 раза в сутки. Контрольная 4 группа состояла из пяти здоровых животных. Дополнительная иммобилизация оперированной конечности животным не проводилась. В раннем послеоперационном периоде проводились перевязки, антибиотикотера-пия, опороспособность конечности не ограничивалась.

Контроль состояния животных включал общую термометрию, наличие или отсутствие аппетита, сроки восстановления двигательной активности животного, опоро-способности оперированных конечностей, купирования отека путем измерения объема здоровой и оперированной конечности на одинаковом уровне. Рентгенологический контроль выполняли через 2, 4 и 6 недель после имплантации. Оценивали наличие периостита – как признака сохранявшегося воспалительного процесса, размеры костного дефекта, структуру регенерата, состояние кортикальной пластинки и костномозгового канала.

После 6 недель животные выводились из эксперимента путем внутривенного введения тиопентала натрия в дозе 200 мг/кг. Далее исследовали прочность костного регенерата с включенным в него аугментом на границе кость-имплант. Для этого производилось туннелирование кости выше и ниже от места имплантации на 2 см спицами, после чего спицы фиксирова- лись в специальных зажимах разрывной машины Р-05 УХЛ 4.2. Далее производилось постепенное растяжение макропрепарата по оси до момента разрыва костного блока. Результаты отражали прочность кости в единицах ньютон/метр.

Статистическая обработка результатов проводилась с учетом количества единиц наблюдения, типа изучаемых данных и дизайна исследования. Для сравнения количественных данных применялись методы Н-критерий Краскелла-Уоллиса (в случае множественных независимых совокупностей) и U-критерий Манна-Уитни (в случае парных количественных независимых совокупностей). Во всех процедурах статистического анализа критический уровень значимости р принимался с учетом поправки Бонферрони (p < 0,05/n, где n – количество попарных сравнений). Анализ результатов осуществлялся с использованием пакетов STATISTICA 6.0, возможностей Microsoft Office.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В раннем послеоперационном периоде (до 2 суток) животные всех исследуемых групп оставались вялыми, мало двигались, щадили оперированную конечность. Аппетит и двигательная активность кроликов восстанавливались к 3-4 суткам.

На 7-10 сутки после операции у животных с имплантацией керамического и углеродного импланта явления отека мягких тканей в области операции были отмечены у 3 и 4 соответственно, в группе имплантации аллокостного импланта выраженная отечность выявлена у 6 животных, в одном случае наблюдения открылся свищ с гнойным отделяемым.

При оценке клинических параметров статистическими методами обработки получены статистически значимые различия по исследуемым параметрам при использовании Н-критерия Краскелла-Уоллиса (табл. 1).

В связи с полученными результатами для дальнейшего исследования был использован U-критерий Манна-Уитни. Таким образом, при сравнении групп по клиническим показателям у животных 1 группы с имплантацией углеродного материала опороспособ- ность восстанавливалась в более ранние сроки, как и наступало восстановление температуры тела, заживление раны, купирование отека. При этом статистически значимой разницы в результатах между животными 2 и 3 групп не было получено (табл. 2).

По данным рентгенографии к исходу второй недели в группе имплантации наноструктурного углеродного аугмента отсутствовали явления периостита, формирование секвестров, сужение костномозгового канала. Было отмечено наличие умеренно выраженного затемнения и признаков формирования костной ткани (рис. 4). В группе животных, где костный дефект был замещен аллокостью, к этому времени еще отмечались явления выраженного периостита, в нескольких случаях формировались единичные секвестры, прослеживалось утолщение кортикальных слоев кости, края костного дефекта четко дифференцировались, признаков формирования косного регенерата не отмечалось (рис. 5). У животных группы имплантации керамического материала также наблюдались явления периостита, отек мягких тканей, формирование секвестров, сужение костного канала (рис. 6).

Таблица 1

Результаты оценки состояния животных в послеоперационном периоде

Исследуемый признак	Сроки нормализации состояния животных (сутки, Ме)			Н-критерий Краскелла-Уоллиса (р < 0,017)
	углерод	аллокость	керамика
Опороспособность конечности	2,0	3,0	3,0	6,48 (р = 0,04)
Заживление раны	10,5	12	12	4,2 (р = 0,12)
Восстановление температуры	13,5	14,5	15	3,64 (р = 0,16)
Купирование отека	12	14	14,5	7,79 (р = 0,02)

Таблица 2

Значения U-критерия Манна-Уитни при сравнении результатов клинических показателей

Сравниваемые группы	Значения U-критерия Манна-Уитни для исследуемых клинических показателей
	Восстановление опороспособности	Заживление раны	Восстановление температуры	Купирование отека
1-2	4 (p = 0,02)	7,5 (p = 0,09)	8,5 (p = 0,13)	3,5 (p = 0,02)
1-3	6 (p = 0,05)	7,5 (p = 0,09)	8 (p = 0,11)	3,5 (p = 0,02)
2-3	17 (p = 0,87)	17,5 (p = 0,93)	15 (p = 0,63)	16,5 (p = 0,81)

Рис. 4. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 2 недели после имплантации углеродного материала

Рис. 5. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 2 недели после имплантации аллокостного материала

Рис. 6. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 2 недели после имплантации керамического материала

К исходу 4-й недели у животных 1 группы был отмечен выраженный процесс регенерации с прорастанием костной ткани вокруг наноструктурного углеродного аугмента. При этом отсутствовали признаки периостита (рис. 7). В то же время во 2 группе отсутствовала перестройка костной ткани, процесс регенерации был выражен в меньшей степени, сохранялись признаки периостита, формировались секвестры, прослеживалось утолщение кортикальных слоев кости, отек мягких тканей (рис. 8). В 3 группе к 4-ой неделе произошло структурное разрушение керамического импланта, связанное с началом осевой нагрузки и реакциями взаимодействия импланта с тканями, которые подверглись воспалению. Также наблюдались явления периостита, отека мягких тканей, формирование секвестров, сужение костного канала (рис. 9).

К концу 6-й недели в 1 группе отмечалась полная регенерация костной ткани с консолидацией дефекта, формированием полноценной костной мозоли (рис. 10). Во

2 группе был отмечен процесс медленной регенерации, границы зоны дефекта оставались видимыми, на их фоне контрастировал аллогенный костный имплант (рис. 11). Рентгенографическое исследование животным 3-ей группы на данном сроке не выполнялось по причине разрушения структуры импланта в более ранние сроки.

После выведения животных из эксперимента производилось исследование на разрыв по оси блоков костной ткани с использованием разрывной машины.

Статистическое сравнение позволило выявить значимые различия между группами (H = 15,74658, p = 0,0013). При последующем попарном сравнении результатов биомеханического теста по группам было установлено, что выявленные различия обусловлены наличием таковых при заданном уровне значимости между группами 1-3, 1-4, 2-3, 2-4 и также были статистически значимыми. Различия между группами 1-2 и 3-4 отсутствовали (табл. 3, рис. 12).

Рис. 7. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 4 недели после имплантации углеродного материала

Рис. 9. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 4 недели после имплантации керамического материала

Рис. 8. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 4 недели после имплантации аллокостного материала

Рис. 10. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 6 недель после имплантации углеродного материала

Рис. 11. Рентгенограмма костей предплечья кролика через 6 недель после имплантации ал-локостного материала

Таблица 3

Значения U-критерия Манна-Уитни при сравнении результатов биомеханического исследования

Сравниваемые группы	U	p-level
1-2	11,50	0,841270
1-3	0,00	0,007937
1-4	0,00	0,007937
2-3	0,00	0,007937
2-4	0,00	0,007937
3-4	2,00	0,031746

Рис. 12. Результаты медианного теста данных биомеханического исследования в группах наблюдения через 6 недель (в Н/м)

ДИСКУССИЯ

Известно, что важной частью хирургического лечения хронического остеомиелита является санация полостей с дальнейшим замещением пострезекционных дефектов. В результате ликвидации хронического очага инфекции в кости и окружающих мягких тканях после удаления секвестров, вскрытия и санации всех остеомиелитических полостей с их внутренними стенками, иссечения всех гнойных свищей образуется дефект костной ткани, восстановление которого осуществляется с использованием компрессионно-дистракционного остеосинтеза по Илизарову, алло- и аутокостных материалов, использованием различных биополимерных, импрегнированных антибиотиками материалов. Описаны способы использования композиционных материалов для замещения костных дефектов.

Проведены исследования по изучению общей реакции организма на углеродный имплант, возможности замещения циркулярных дефектов. Данные работы показали хорошие результаты при исследовании на собаках и кроликах без дополнительного воздействия инфекционного агента [10]. В проведенных исследованиях наступал полноценный костно-углеродный блок к 20 неделе наблюдения [12]. Углеродный материал также применяется в хирургии позвоночника при воспалительных заболеваниях. Преимуществами его использования были раннее восстановление опорной функции позвоночника и предотвращение различных осложнений [4].

Результаты нашего исследования схожи с результатами ряда авторов. Они показали, что применение наноструктурных углеродных аугментов обеспечило сокращение сроков выздоровления животных. Восстановление аппетита отмечено на 3 сутки. Нормализация температуры отмечена в группе 1 к исходу13 суток, в то же время в группе 2 и 3 она сохранялась до 14 и 15 суток соответственно. В группе 1 отмечено, что уже к исходу 1 суток восстанавливалась частичная опороспособность оперированной конечности, а к исходу 2 суток животные свободно пользовались оперированной конечностью. В то же время в группе 2 и 3 опороспособность восстановилась только к исходу 3-4 суток. В группе 3 только 60 % животных вообще смогли пользоваться оперированной конечностью, что свидетельствовало об отсутствии консолидации в зоне остеомиелитического дефекта.

Данные рентгенологического обследования полностью коррелировали с данными клинического состояния животных. Рентгенологическая картина в зоне остеомиелитического дефекта в группах наблюдения различалась уже к исходу второй недели, когда только в группе животных с использованием в качестве аугмента наносруктурного углеродного материала отсутствовали признаки периостита, имелись начальные признаки формирования костной мозоли. Замещение пострезекционного костного дефекта на серии рентгенограмм прошло стадию формирования параооссальной мозоли, которая постепенно распространялась на всю глубину залегания имплантата в кости. Полная консолидация и образование блока у животных наступало к исходу 4 недели. В дальнейшем происходило постепенное нарастание плотности и структурная перестройка периим-плантарной кости, и к исходу 6 недели отмечалось ис- чезновение рентгенологических границ между костью и наноуглеродным имплантом. В то же время в группе животных, где замещение проводилось аллокостным трансплантатом, отмечено замедленное формирование костного регенерата, а его визуальная плотность была существенно меньше. В группе, где был использован экспериментальный керамический аугмент, в 60 % случаев было отмечено его разрушение.

Исследование костных блоков на разрыв показало, что к исходу 6 недели максимальная прочность 0,097 ± 0,013Н/м была достигнута в группе животных, которым были имплантированы наноструктурные углеродные аугменты. Это оказалось сопоставимо с прочностными характеристиками здоровой кости (0,095 ± 0,008 Н/м). При этом прочность макропрепаратов, полученных после замещения остеомиелитического дефекта аллокостью, составила 0,056 ± 0,006 Н/м. Наихудшие результаты были получены при испытании макропрепаратов, где применялась керамика. Там прочность на разрыв достигала 0,046 ± 0,003 Н/м, что составило 44 % от прочности в первой группе (табл. 3, 4).

Таблица 4

Результаты биомеханического теста по группам исследования (Ме, нижний Q1 и верхний Q3 квартиль)

Группа	Кол-во образцов (абс.)	Медиана (Н/м)	Q1	Q3
1	5	0,09	0,090	0,100
2	5	0,095	0,090	0,100
3	5	0,055	0,050	0,062
4	5	0,045	0,045	0,050

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    Предложенный способ формирования дефекта длинных костей в эксперименте обеспечивает возможность моделирования остеомиелита и пригоден для оценки эффективности проводимого лечения.

• 2.    В группах наблюдения животных лучшие клинические результаты, такие как восстановление аппетита, нормализация температуры, восстановление опороспособности, купирование отека были получены при использовании углеродного наноструктурного импланта.

• 3.    Использование наноструктурного углеродного материала для замещения остеомиелитических де-

• фектов, по данным рентгенологических исследований, ускорило в сравнении с другими исследуемыми типами остеозамещающих материалов формирование костного регенерата и обеспечило позитивную остеоинтеграцию на границе «кость-имплантат».

• 4.    Механическая устойчивость костного регенерата на разрыв на границе «кость-имплантат» экспериментальных блоков с наноуглеродными имплантами составила 0,097 ± 0,013 Н/м, что соответствовало механическим параметрам здоровой кости, и была на 4550 % выше аналогичных характеристик блоков с алл-костным и керамическим имплантами.