Диференційоване застосування різновидів кальцій-фосфатної кераміки для пластики порожнинних кісткових дефектів

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 кожного з різновидів КФ гранул.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Філіпенко В.А., Мітелева З.М., Зиман З.З., Мезенцев В.О., Яресько О.В. Метод кінцевих елементів в клінічній біомеханіці та прогнозування результатів пластики кісткових порожнин за допомогою різновидів кальцій-фосфатних керамік//Ортопедия, травматология и протезирование. - 2006. - № 2. - С. 34-41. - Особистий внесок автора полягає в аналізі літературних даних, в участі у розробці кінцево-елементної моделі стегнової кістки та трактуванні отриманих результатів.

Філіпенко В.А., Мітелева З.М., Мезенцев В.О., Яресько О.В. Напружено-деформований стан проксимального відділу стегнової кістки в умовах моделювання порожнинних кісткових дефектів в різних за навантаженням зонах//Український морфологічний альманах. - 2006. - Т. 4. - № 1. - С. 104-107. - Особистий внесок автора полягає у трактуванні результатів, отриманих за допомогою методу кінцевих елементів.

Филиппенко В.А., Танькут В.А., Мезенцев В.А., Бондаренко С.Е. Пластика дефектов вертлужной впадины при первичном эндопротезировании тазобедренного сустава//Вісник морської медицини. - 2006. - № 3. - С. 348-354. - Особистий внесок автора полягає у проведенні частини клінічних досліджень.

Спосіб хірургічного лікування тяжких кіфосколіотичних деформацій хребта: Декларац. пат. 37992А 7 Україна, МК9 А61В17/56 /Мезенцев А.О., Радченко В.О., Шевченко С.Д., Мезенцев В.О. (Україна) - №2000052742; Заявлено 15.05.2000; Опубл. 15.05.2001, Бюл. № 4. - Особистий внесок автора полягає у проведенні патентного пошуку, участі у клінічній апробації методу.

Филиппенко В.А., Зыман З.З., Мезенцев В.А., Алок Бансал. Применение гранул гидроксиапатита при ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава//Материалы науч.-практ. конф. травматологов-ортопедов Респ. Беларусь. - Минск, 2000. - Т.1. - С. 383-388. - Особистий внесок автора полягає в обстеженні та лікуванні хворих, аналізі клініко-рентгенологічних результатів.

Філіпенко В.А., Зиман З.З., Мезенцев В.О. Проблема застосування замінників кісткової тканини в ортопедичній хірургії//XIII з'їзд ортопедів-травматологів України: Зб. наук. праць. - Київ; Донецьк, 2001. - С.144-147. - Особистий внесок автора полягає в аналізі літературних джерел, проведенні й аналізі клінічних досліджень.

Зыман З.З., Филиппенко В.А., Радченко В.А., Глушко В.И., Мезенцев В.А. Получение, свойства и ортопедическое применение гранул гидроксилапатита//Материалы Международной конф. “Передовая керамика - третьему тысячелетию”. - Киев, 2001. - С. 175. - Особистий внесок автора полягає у проведенні частини клінічних досліджень.

АНОТАЦІЯ

Мезенцев В.А. Диференційоване застосування різновидів кальцій-фосфатної кераміки для пластики порожнинних кісткових дефектів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за спеціальністю 14.01.21. - травматологія та ортопедія. - Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України, Харків, 2007.

В дисертації на основі системного підходу: експериментальних, морфологічних, морфометричних, біомеханічних та клініко-рентгенологічних досліджень обґрунтовано доцільність диференційованого використання різних за пористістю гранул гідроксилапатиту та пористих біфазних гранул на його основі для пластики порожнинних кісткових дефектів у різних за навантаженням ділянках скелета.

На підставі досвіду застосування різновидів кальцій-фосфатної (КФ) кераміки у клінічних умовах визначено рекомендації щодо диференційованого використання різновидів КФ кераміки для пластики порожнинних кісткових дефектів.

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.

Ключові слова: порожнинні кісткові дефекти, гідроксилапатит, трикальційфосфат, біфазна кераміка, навантаження, кістково-керамічне зрощення, метод кінцевих елементів.

АННОТАЦИЯ

Мезенцев В.А. Дифференцированное использование разновидностей кальций-фосфатной керамики для пластики полостных костных дефектов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата медицинских наук по специальности 14.01.21. - травматология и ортопедия. - Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И. Ситенко АМН Украины, Харьков, 2007.

В диссертации на основе системного подхода: экспериментальных, морфологических, морфометрических, биомеханических и клинико-рентгенологических исследований обоснована целесообразность дифференцированного использования гранул гидроксилапатита (ГА) различной пористости и пористых гранул бифазной (БФ) керамики на его основе для пластики полостных костных дефектов в участках скелета с разной степенью нагрузки.

В экспериментальных и клинических исследованиях использована кальций-фосфатная (КФ) керамика в виде гранул, изготовленная по оригинальной методике в ХНУ им. В.Н. Каразина (кафедра физики твёрдого тела, заведующий - проф. Зыман З.З.).

Клиническая часть работы выполнена на основе наблюдения за 114 больными (71 женщина и 43 мужчины, возрастом от 11 до 75 лет), которым вследствие заболеваний либо повреждений опорно-двигательной системы была проведена пластика полостных костных дефектов с помощью разновидностей КФ керамики (“плотных” и пористых гранул ГА, пористых гранул БФ керамики на основе ГА, а также смеси этих материалов).

Общее количество имплантаций разновидностей кальций-фосфатной керамики у 114 больных составляет 131 случай.

Оценку биодеградации КФ керамики проводили на основании рентгенологических данных по 4-балльной системе (Galois et al., 2002).

Рентгенологический анализ имел 3 основных критерия: оценивали границу между КФ керамикой и окружавшей её костной тканью; изменения рентгенологической “плотности” биоматериала; признаки его фрагментации и замещения костью. Применяли качественную шкалу для описания изменений, которые наблюдались в процессе интеграции и перестройки керамических гранул.

В результате экспериментальных исследований на лабораторных животных (18 кролей породы шиншилла и 84 белых крысы линии вистар) установлено, что на процессы перестройки керамики влияют как условия нагрузки в месте имплантации, так и структурные особенности керамики. Остеоинтеграционные процессы протекают активнее в зонах с большей нагрузкой. Повышение пористости КФ керамики и добавление трикальцийфосфата к гидроксилапатиту (БФ керамика) улучшают процессы костной регенерации и ускоряют биодеградацию керамического материала.

Установлено, что показатели прочности костно-керамического блока, образованного после имплантации “плотных” образцов ГА керамики, превышают аналогичные показатели при использовании пористой ГА или БФ керамики. Выявлена зависимость прочности костно-керамического блока от степени нагрузки в зоне имплантации керамики - в участках скелета с большей нагрузкой прочность костно-керамического блока была выше.

С помощью метода конечных элементов с использованием трёхмерных моделей проксимального отдела бедренной кости и тазобедренного сустава установлено, что наличие полостей в различных участках бедренной кости (головка, шейка или большой вертел) приводит к изменению напряжённо-деформированного состояния проксимального отдела бедренной кости. Характер и степень изменения напряжений зависят от локализации дефекта - наиболее опасными являются дефекты шейки и головки в условиях истончения её субхондрального слоя. Для заполнения дефектов головки бедренной кости в условиях сохранения субхондрального слоя целесообразнее использовать БФ керамику, при уменьшении толщины субхондрального слоя необходимо использовать более прочную ГА керамику. Для реконструкции полостей шейки бедренной кости приоритет имеет использование ГА (“плотного” или пористого). При пластике большого вертела ввиду отсутствия компрессионных нагрузок можно использовать БФ керамику. Для пластики полостного дефекта вертлужной впадины в условиях цементного реэндопротезирования оптимальным является использование пористой ГА керамики. Для ускорения формирования костно-керамического блока можно использовать смесь из пористой ГА и БФ керамики в соотношении 50:50.

Анализ результатов использования КФ керамики свидетельствует, что время появления рентгенологических признаков её остеоинтеграции и биодеградации зависит от следующего: 1) химический состав, структура и объём пористости керамики; 2) степень функциональной нагрузки в месте имплантации керамики; 3) возраст пациентов и структурно-метаболическое состояние костной ткани, окружающей керамику; 4) наличие дополнительных стимуляторов остеогенеза в виде костных аутотрансплантатов или деминерализованного костного матрикса. При этом биодеградация керамики не является основной целью её использования - своевременное образование костно-керамического блока обеспечивает функциональное восстановление больного.

Опыт клинического использования разновидностей КФ керамики позволил разработать дополнительные рекомендации по дифференцированному использованию предлагаемых костных заменителей для пластики костных полостей.

Результаты исследований свидетельствуют о высокой эффективности каждого из предложенных видов КФ керамики. Улучшить результаты лечения больных, нуждающихся в пластике полостных костных дефектов, позволяет дифференцированный подход к использованию костного заменителя с учётом степени нагрузки в зоне предполагаемой имплантации керамики и механических свойств каждого вида КФ гранул.

Ключевые слова: полостные костные дефекты, гидроксилапатит, трикальцийфосфат, бифазная керамика, нагрузка, костно-керамическое сращение, метод конечных элементов.

SUMMARY

Mezentsev V.A. Differentiated use of the varied types of calcium-phosphate ceramics for the plasty of cavity bone defects - Manuscript.

Scientific thesis in the category of medical candidate under the specialty - 14.01.21 - Traumatology and orthopedics. - Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology, Academy of Medical Sciences of Ukraine. Kharkiv, 2007.

On the basis of system approach: experimental, morphlogical, morphometric, biomechanic, clinical and roentgenological investigations the differentiated use of hydroxylapatite ceramic granules varied in porosity and porous biphasic granules for the plasty of cavity bone defects was grounded in the thesis.

On the basis of the experience usage of different calcium-phosphate ceramics in clinical conditions recommendation for differentiated use of varied types of calcium-phosphate ceramics for the plasty of cavity bone defects were revealed.

The principle of the differentiated approach for the choice of plastic material with consideration of the stress level in the implantation zone and mechanical properties of every types of calcium-phosphate granules allowed to provide required strength for the injured bone and optimize bone regeneration at the implantation zone. It also promoted early loading of the operated extremity and accelerated patient rehabilitation, decreased term and improved follow-up in patient who needed the plasty of cavity bone defect due to different diseases and injures of the locomotor system.

Key words: cavity bone defects, hydroxylapatite, tricalciumphosphate, biphasic ceramic, stress, bone-ceramic fusion, finite element method.

Размещено на Allbest.ru