Аддитивная технология в полном восстановлении функции сустава при эндопротезировании (экспериментальное исследование)

Авторы:
  • Р. М. Тихилов
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
  • В. А. Конев
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
  • И. И. Шубняков
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
  • А. О. Денисов
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
  • П. М. Михайлова
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
  • С. С. Билык
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
  • А. Н. Коваленко
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
  • Д. А. Старчик
    ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия
Журнал: Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2019;(5): 52-56
Просмотрено: 1207 Скачано: 96

В настоящее время отмечается повсеместный рост количества операций ревизионного эндопротезирования [1—3]. Нерешенной острой проблемой при ревизионном протезировании крупных суставов являются обширные, сложные по форме костные дефекты [4— 6]. В связи с этим актуален поиск методов восстановления или замещения дефектов с возможностью нормализации биомеханики путем рефиксации мышц. В этом отношении перспективна разработка и апробация материалов, способных замещать костные дефекты сложной геометрической формы и одновременно восстанавливать механические свойства пораженной костной ткани, с возможностью интеграции окружающих мышечных и сухожильных структур в имплантат, что обеспечит наиболее полное восстановление функции сустава [7—10]. Пока неясно, будет ли происходить мягкотканная (мышцы, связочно-капсульный аппарат) и костная интеграция в высокопористые титановые имплантаты, изготовленные при помощи аддитивных технологий и какова ее прочность при интеграции тканей в такие имплантаты.

Цель исследования — изучить в эксперименте прочностные свойства интеграции мышечной ткани, сухожильно-связочных структур, а также костной ткани в титановые высокопористые материалы, изготовленные с применением аддитивных технологий.

Материал и методы

В условиях вивария РНИИТО им. P.P. Вредена проведено исследование in vivo на 9 половозрелых кроликах породы шиншилла. Содержание и использование лабораторных животных соответствовало требованиям Хельсинкской декларации пересмотра 2013 г. Все процедуры с животными рассмотрены и утверждены локальным этическим комитетом. В исследовании использовали обе задние лапы и широчайшие мышцы спины животного (36 макропрепаратов). Титановые образцы (Ti-6-Al-4-V, марка «Rematitan», Германия) изготовлены путем аддитивных технологий с предварительным прототипированием и имеют высокопористую сетчатую структуру.

Для изучения процессов интеграции высокопористых титановых имплантатов в точке прикрепления связки надколенника к бугристости большеберцовой кости создан стандартизованный функциональный дефект костной ткани. Титановый образец имплантировали в полученный дефект кости и расслоенную связку надколенника. Фиксацию волокон связки надколенника к титановому имплантату выполняли при помощи шовного материала. Для исследования интегративных свойств мышечной ткани в титановые имплантаты в зону разволокнения волокон широчайших мышц спины кролика имплантировали титановые материалы специальной формы. Образцы опытной и контрольной групп имплантировали в соответствующие анатомические области одного животного. Животным выполняли оперативные вмешательства на левой и правой конечности, а также левой и правой широчайшей мышце спины. В контрольную группу вошли образцы со стандартной пористостью (правая сторона), в опытную группу вошли высокопористые образцы, установленные с левой стороны.

На 30-е, 60-е и 90-е сутки после операции выполняли рентгенограммы коленного сустава в прямой и боковой проекции. В эти же сроки выводили животных из эксперимента с дальнейшей обработкой препаратов для морфологического исследования, которое на момент написания статьи не было завершено. На 90-е сутки после операции выполнено исследование прочностных свойств с помощью универсальной установки для механических испытаний AG-100X Plus («Shimadzu Corp.», Япония). Для оценки прочностных свойств интеграции измеряли усилия, необходимые для разрыва мягких тканей в области прикрепления к исследуемым имплантатам. Исследовали 6 образцов.

Животных наблюдали до выведения их из эксперимента в течение всего послеоперационного периода. Во всех группах экспериментальных животных в 1-е сутки после операции выявлено снижение аппетита и активности. Со 2-х суток после операции отмечены нормализация двигательной активности, сохранение аппетита у всех животных. В течение всего срока исследования рана заживала без признаков воспаления (гиперемия, отек, нарушение подвижности).

На рентгенограммах, выполненных на 30-е и 90-е сутки после операции, признаков нестабильности и миграции имплантатов в обеих группах не установлено (см. рисунок).

Рентгенограммы коленного сустава на 90-е сутки после операции. а — образец контрольной группы; б — образец опытной группы (с применением высокопористого имплантата).

При исследовании прочностных свойств фиксации мышечной ткани к титановым имплантатам в контрольной группе разрушающее усилие на разрыв составило от 13 до 31 Н, в опытной — от 40 до 145 Н (p=0,007). При оценке прочности фиксации в костной ткани исследуемых имплантатов усилие на разрыв в контрольной группе составило 84 Н против 152 Н в опытной группе (p=0,0034). Полученные данные отчетливо демонстрируют превосходящую прочность интеграции мягких тканей и костной ткани в исследуемые опытные высокопористые имплантаты, изготовленные с помощью аддитивных технологий.

Для хорошей интеграции тканей с имплантатом необходимым условием является наличие пористости. M. Chvapil и соавт. [11] провели ряд исследований и установили, что оптимальный размер пор для интеграции мягких тканей составляет 100—200 мкм. В связи с этим мы использовали в своем исследовании имплантаты с такой пористостью.

В экспериментальном исследовании A. Itälä и соавт. [12] механическая прочность прикрепления сухожилия надколенника с использованием пористых танталовых шайб составила 76% от прочности нативного сухожилия в течение 6 нед, но в последующем не увеличилась и осталась на прежнем уровне. J. Reach и соавт. [13] в исследовании на собаках продемонстрировали, что усилие на разрыв точки прикрепления сухожилия к титановому имплантату составило в среднем 149 Н и прочность фиксации сухожилия через 16 нед была сопоставима с прочностью здорового сухожилия. В исследовании J. Bobyn и соавт. [14] прочность фиксации сухожилия составила 27,5 г/мм через 16 нед после имплантации.

T. Wren и соавт. [15] в своем исследовании повреждений ахиллова сухожилия установили, что усилие, приводящее к разрыву, колеблется в пределах 5000 Н. Площадь поперечного сечения ахиллова сухожилия человека составляет от 188 до 282 мм2, а площадь поперечного сечения собственной связки надколенника кролика в среднем равна 5,6 мм2. Таким образом, полученные в нашем экспериментальном исследовании показатели усилия, приводящего к полному повреждению связочных структур, сопоставимы с данными T. Wren.

При изучении интеграции мышечной ткани в титановые пористые имплантаты во время прочностных испытаний продемонстрирована прочная фиксация исследуемых опытных титановых образцов. Разрыв мышечной ткани происходил вне зоны прилегания к имплантату, что можно расценивать как подтверждение адекватной прочности фиксации.

Опыт ранее проведенных исследований в отношении интеграции мягких тканей в пористые имплантаты из металла продемонстрировал высокие прочностные свойства мягкотканной интеграции. В нашем исследовании мы оценили возможность такой интеграции в имплантаты, изготовленные при помощи аддитивных технологий.

Таким образом, в ходе исследования разработана экспериментальная модель функционального костного дефекта с вовлечением точек прикрепления мышечного и связочного аппарата, на которых изучены клинические, рентгенологические свойства мягкотканной и костной интеграции в титановые пористые имплантаты в различные сроки. Установлено, что происходит интеграция мягких и костной тканей в высокопористые титановые имплантаты, изготовленные при помощи аддитивных технологий, при этом прочность фиксации достоверно превосходит таковую в образцах со стандартной пористостью. Данное исследование открывает перспективы наиболее полного восстановления функции суставов при ревизионном эндопротезировании в условиях больших костных дефектов, захватывающих области прикрепления мышц.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Тихилов Р.М. — https://orcid.org/0000-0003-0733-2414

Конев В.А. — https://orcid.org/0000-0001-8728-6491

Шубняков И.И. — https://orcid.org/0000-0003-0218-3106

Денисов А.О. — https://orcid.org/0000-0003-0828-7678

Михайлова П.М. — https://orcid.org/0000-0003-1664-0865

Билык С.С. — https://orcid.org/0000-0002-7123-5582

Коваленко А.Н. — https://orcid.org/0000-0003-4536-6834

Старчик Д.А. — https://orcid.org/0000-0001-9535-4503

Автор, ответственный за переписку: Михайлова П.М. — e-mail: mihailova_pm@mail.ru

Список литературы:

  1. Шубняков И.И., Тихилов Р.М., Николаев Н.С., Григоричева Л.Г., Овсянкин А.В., Черный А.Ж., Дроздова П.В., Денисов А.О., Вебер Е.В., Кузьмина И.В. Эпидемиология первичного эндопротезирования тазобедренного сустава на основании данных регистра артропластики РНИИТО им. Р.Р. Вредена. Травматология и ортопедия России. 2017;23(2):81-101. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2017-23-2-81-101
  2. Kurtz S, Mowat F, Ong K, Chan N, Lau E, Halpern M. Prevalence of primary and revision total hip and knee arthroplasty in the United States from 1990 through 2002. J. Bone Joint Surg. Am. 2005;87:1487-1497.
  3. Kurtz S, Ong K, Lau E, Mowat F, Halpern M. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030. J. Bone Joint Surg. Am. 2007;89:780-785. https://doi.org/10.2106/JBJS.F.00222
  4. Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Коваленко А.Н., Тотоев З.А., Лю Б., Билык С.С. Структура ранних ревизий эндопротезирования тазобедренного сустава. Травматология и ортопедия России. 2014;(2):5-13.
  5. Brown JM, Mistry JB, Cherian JJ, Elmallah RK, Chughtai M, Harwin SF, Mont MA. Femoral component revision of total hip arthroplasty. Orthopedics. 2016;39(6):1129-1139. https://doi.org/10.3928/01477447-20160819-06
  6. Huang C, Qin L, Yan W, Weng X, Huang X. Clinical evaluation following the use of mineralized collagen graft for bone defects in revision total hip arthroplasty. Regen Biomater. 2015;4(2):245-249. https://doi.org/10.1093/rb/rbv022
  7. Карякин Н.Н., Горбатов Р.О. Прецизионные персонифицированные направители для эндопротезирования коленного сустава. Современные проблемы науки и образования. 2016;(5):23.
  8. Wong KC, Kumta SM, Geel NV, Demol J. One-step reconstruction with a 3D-printed, biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection. Comput Aided Surg. 2015;20(1):14-23. https://doi.org/10.3109/10929088.2015.1076039
  9. Сафина Н., Сафронова Т., Баринов С. Биокерамика в медицине. Стекло и керамика. 2007;(2):34-36.
  10. Чеканов А.С., Волошин В.П., Лекишвили М.В., Очкуренко А.А., Мартыненко Д.В. Реконструкция тазобедренного сустава деминерализованными аллоимплантатами при ревизионном эндопротезировании. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2015;(1):43-46.
  11. Chvapil M, Holusa R, Kliment K, Stoll M, Som. Chemical and Biological Characteristics of a New Collagen-Polymer Compound Material. Biomed Muter Res. 1969;3:315-322.
  12. Itälä A, Heijink A, Leerapun T, Reach JS, An KN, Lewallen DG. Successful canine patellar tendon reattachment to porous tantalum. Clin Orthop Relat Res. 2007 Oct;463:202-207.
  13. Reach JSJr, Dickey ID, Zobitz ME, Adams JE, Scully SP, Lewallen DG. Direct tendon attachment and healing to porous tantalum: anexperimental animal study. J Bone Joint Surg Am. 2007 May;89(5):1000-1009. https://doi.org/10.2106/JBJS.E.00886
  14. Bobyn JD, Wilson GJ, MacGregor DC, Pilliar RM, Weatherly GC. Effect of pore size on the peel strength of attachment of fibrous tissue to porous-surfaced implants. J Biomed Mater Res. 1982 Sep;16(5):571-584.
  15. Wren TA, Yerby SA, Beaupre GS, Carter DR. Mechanical properties of the human achilles tendon. Clin Biomech. (Bristol, Avon). 2001 Mar;16 (3):245-251.