Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут патології хребта та суглобів

імені професора М.І. Ситенка АМН України

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата медичних наук

14.01.21 - травматологія та ортопедія

ДИФЕРЕНЦІЙОВАНЕ ЗАСТОСУВАННЯ РІЗНОВИДІВ

КАЛЬЦІЙ-ФОСФАТНОЇ КЕРАМІКИ ДЛЯ ПЛАСТИКИ

ПОРОЖНИННИХ КІСТКОВИХ ДЕФЕКТІВ

МЕЗЕНЦЕВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ

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