Державна установа “Інститут патології хребта та суглобів
імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”
КОМАРОВ Михайло Петрович
УДК 616.71 – 001.5-089.843: 0546.26:612.76
ЗАМІЩЕННЯ ДЕФЕКТІВ ДОВГИХ КІСТОК ШТУЧНИМИ ІМПЛАНТАТАМИ НА ОСНОВІ ВУГЛЕЦЮ
(експериментальне дослідження з клінічною апробацією)
14.01.21 – травматологія та ортопедія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата медичних наук
Харків – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Державній установі “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”.
Науковий керівник: доктор медичних наук
ТЯЖЕЛОВ Олексій Алімович
Державна установа “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”, завідуючий лабораторією біомеханіки
Офіційні опоненти:
доктор медичних наук, професор ШЕВЧЕНКО Станіслав Дмитрович
Державна установа “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”, головний науковий співробітник відділу патології хребта та суглобів дитячого віку
доктор медичних наук, професор ЛОБАНОВ Григорій Вікторович
Донецький національний медичний університет ім. М.Горького МОЗ України, професор кафедри травматології, ортопедії та ВПХ
Захист відбудеться „ 27” червня 2008 р. об 11.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.607.01 Державної установи “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” (61024 м. Харків, вул. Пушкінська, 80).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державної установи “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” (61024 м. Харків, вул. Пушкінська, 80)
Автореферат розісланий “ 27 ” травня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, заслужений діяч науки
і техніки України,
доктор медичних наук, професор
В.О.Радченко
Актуальність роботи. Певну проблему сьогодення становить лікування патологічних переломів довгих кісток та заміщення кісткових післярезекційних дефектів у хворих з пухлинними ураженнями скелета. Патологічні переломи кісток кінцівок – часте ускладнення онкологічних захворювань, яке позбавляє пацієнтів можливості вести звичайний спосіб життя, різко порушує його якість. Хоча злоякісні пухлини кісток зустрічаються відносно рідко – 4-6% від усіх онкологічних захворювань людини, за останніми статистичними даними, спостерігається тенденція не тільки до росту відсотка цієї патології, а й до росту відсотка малігнізації первинних доброякісних пухлин (Зацепин С.Т., 2001; Щуровський О.М., 2005). У зв’язку з цим на порядку денному сучасної онкологічної ортопедії гостро стоїть питання про надійне з’єднання кісткових відламків при патологічних переломах кісток кінцівок та заміщення кісткових дефектів після сегментарних резекцій.
Хірургічне видалення патологічного осередку при первинному пухлинному ураженні довгих кісток є одним з головних, а часто єдиним способом збереження життя хворого. Останнім часом для лікування переломів довгих кісток та заміщення післярезекційних дефектів кісток використовують імплантати з металів, полімерів, вуглецю та кальційфосфатних керамік, які мають високу спорідненість з кістковою тканиною, остеокондуктивні та остеоінтеграційні властивості (Берченко Г.Н. із співавт., 1999; Муромцев С.Г. із співавт., 2001; Радченко В.А. із співавт., 2006; Blazewicz M., 2001; Bader R, et al. 2003).
Кісткові дефекти, що лишаються після видалення пухлини, не тільки потребують адекватного заміщення. Імплантати повинні виконувати інші функції. По-перше, це надійне з’єднання кісткових фрагментів, причому надійність цього з’єднання повинна мати значний запас міцності і не може бути втрачена з часом, оскільки імплантати залишаються в організмі людини до кінця життя.
По-друге, це якомога швидше відновлення опороздатності кінцівки, тому що знесиленим хворим після великих травматичних операцій та променевої терапії відновлена опороздатність кінцівки значно покращує якість життя.
По-третє, це питання про біологічну сумісність імплантату. Якщо мова йде про заміщення кісткових дефектів, імплантат повинен знаходитись у тканинах організму людини тривалий час, тому питання про біологічну сумісність та біологічну інертність матеріалу, з якого виготовлено імплантат, стають дуже важливими.
Вуглецеві композитні матеріали давно і ефективно використовуються у медичній практиці, зокрема в ортопедії та травматології. Їх використовують для остеосинтезу при переломах довгих кісток, для пластичного відновлення зв’язок, виготовлення ендопротезів, заміщення невеликих кісткових дефектів тощо (Тяжелов А.А. із співав., 2004; Baker D.et al., 2004; Howling G.I. et al., 2004). Виконано багато досліджень з вивчення можливості ефективнішого використання вуглецевого композиційного матеріалу. Такі дослідження проводилися на культурі остеобластів (Elias K.L. et al., 2002; McKenzie J.L. et al., 2004), також в експерименті на тваринах (Kumar N. et al., 2002; Qiu Y.S. et al., 2002) та у клініці (Зарацян А.К. 1990; Agrillo U., et al., 2002; Stutz N. et al., 2002).
Ці та багато інших досліджень довели, що композиційні матеріали на основі вуглецю є матеріалами біологічно інертними, викликають мінімальну запальну реакцію в оточуючих тканинах і можуть бути використані в якості заглибних імплантатів з тривалим терміном дії.
Складність оперативного лікування патологічних переломів довгих кісток та заміщення великих кісткових дефектів полягає у тому, що сучасними стандартними засобами остеосинтезу не вдається забезпечити головні необхідні вимоги. А саме: стабільність фіксації фрагментів кісток на тривалий строк; можливість раннього функціонального навантаження кінцівки, що дуже важливо для знесилених онкологічних хворих; швидкого відновлення м’язової активності до рівня, що передував операції.
Тому при лікуванні хворих з післярезекційними сегментарними дефектами довгих кісток або з патологічними переломами внаслідок метастазування виникає проблемна ситуація, яку можна сформулювати наступним чином: «заміщення великих дефектів довгих кісток кінцівок після видалення пухлин або при лікуванні патологічних переломів зараз виконується тільки із застосуванням металевих або металокерамічних (металополімерних) імплантатів, які на порядок відрізняються від кісткової тканини за механічними властивостями, строками виготовлення та вартістю кінцевої продукції».
Суттєве покращання результатів лікування хворих з дефектами кісток після видалення пухлин або при лікуванні патологічних переломів можливо шляхом: - розробки нових видів імплантатів для заміщення сегментарних дефектів у вигляді пристроїв для з’єднання кісткових відламків; - вивчення можливостей з’єднання імплантатів з кісткою, дослідження оптимальних видів з’єднання, при необхідності шляхом розробки нових; - розробки технології використання імплантатів нового покоління з заданими параметрами міцності.
Саме на вирішення цих питань спрямовано дане дослідження.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з планом науково-дослідних робіт Державної установи „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” („Розробити нові високотехнологічні способи остеосинтезу та заміщення кісткових дефектів у літніх людей імплантатами на основі корунду та вуглецю”, шифр теми ЦФ.2004.4, держреєстрація №0104U002090. Автор виконав аналіз методик заміщення діафізарних кісткових дефектів; проаналізував різні моделі з’єднання кісткових фрагментів шляхом математичного моделювання (з використанням методу кінцевих елементів); дослідив електрохімічні властивості імплантатів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу, що працюють у гальванопарі з металевими фіксаторами із захисним покриттям; розробив методики та імплантати для заміщення діафізарних дефектів довгої кістки; прийняв участь у гістоморфологічних дослідженнях органів та тканин експериментальних тварин в умовах імплантації вуглецевого матеріалу в різні строки; а також згідно договору про наукову співпрацю з Науково-дослідним інститутом травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету ім. М.Горького МОЗ України, який передбачав спільне виконання науково-дослідної роботи “Розробка нових медичних технологій комплексного лікування злоякісних пухлин при ураженнях діафізів довгих кісток”, шифр теми МК 06.04.08, держреєстрація №0105U008707, автор приймав участь у підборі пацієнтів для клінічної апробації розробленої методики заміщення дефектів довгих кісток).
Мета дослідження – покращити можливості лікування хворих з післярезекційними дефектами та патологічними переломами довгих кісток шляхом розробки та експериментального обґрунтування методик заміщення кісткових дефектів штучними імплантатами з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу (ВВКМ).
Завдання дослідження:
1. На основі літературних даних розробити вимоги до моделі з’єднання фрагментів довгої кістки при заміщенні кісткових дефектів та патологічних переломів довгих кісток кінцівок.
2. Вивчити в експерименті вплив вуглецевого матеріалу на кісткову тканину, м’які тканини, що його оточують, та віддалені органи і тканини організму.
3. Розробити зразки імплантатів з ВВКМ для заміщення сегментарних дефектів довгої кістки.
4. Розробити методики заміщення сегментарних дефектів довгої кістки після резекції злоякісних пухлин.
5. На підставі математичного моделювання методом кінцевих елементів провести дослідження якості механічного з’єднання кісткових фрагментів при сегментарних дефектах довгих кісток імплантатами з ВВКМ.
6. Провести клінічну апробацію розроблених методик заміщення кісткових дефектів штучними імплантатами з ВВКМ при сегментарних резекціях довгих кісток.
Об’єкт дослідження: вуглецевий імплантаційний матеріал – як замісник кісткової тканини.
Предмет дослідження:способи з’єднання фрагментів кістки імплантами з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу при сегментарних дефектах; якість з’єднання відламків – характеристики пружно-деформованого стану окремих елементів та зон контакту в системі фіксатор-кістка; електрохімічні властивості вуглецевого композиційного матеріалу та металевих конструкцій для остеосинтезу з захисним покриттям, що утворюють гальванопари; особливості гістологічної картини кісткової тканини та тканин внутрішніх органів при імплантації вуглецевого композиційного матеріалу в експерименті.
Матеріал та методи дослідження. В роботі використані методи: концептуального моделювання з’єднання фрагментів довгих кісток у хворих з сегментарними дефектами; математичного моделювання методом кінцевих елементів способів з’єднання кісткових відламків з використанням різноманітних пристроїв та методик; морфологічного дослідження «реакції» кісткової тканини та віддалених тканин організму на вуглецевий імплантаційний матеріал в експерименті на тваринах; вивчення електрохімічної взаємодії вуглецевого композиційного матеріалу, з якого виготовляли імплантати, і деяких стандартних металевих фіксаторів шляхом визначення електрохімічного потенціалу кожного імплантату та їхньої взаємодії в розчині електроліту, а також ВВКМ та металевих імплантатів із захисним покриттям; клінічного дослідження, що включає клінічне, лабораторне та рентгенологічне передопераційне обстеження хворих з пухлинними ураженнями довгих кісток та післяопераційне динамічне спостереження на етапах лікування.
Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено модель заміщення сегментарних дефектів довгих кісток у хворих з пухлинними ураженнями скелета. Оригінальна технологія з’єднання кісткових фрагментів, розроблена в рамках даної моделі, теоретично дозволяє забезпечити індивідуальне ендопротезування сегмента довгої кістки із заданими параметрами жорсткості з’єднання кісткових відламків. Конструкція для заміщення сегментарних дефектів являє собою комбінований вуглецевий композиційний імплантат у вигляді внутрішньокісткового стержня того ж діаметра, що і діаметр кістковомозкового каналу, і кортикального «спейсера» - порожнистої трубки з товщиною стінки 4-8 мм, яка має діаметр внутрішнього отвору, що дорівнює діаметру стержня.
В експерименті на тваринах доведено відсутність шкідливого впливу вуглецевого композиційного імплантаційного матеріалу на кісткову тканину в зоні імплантації та на внутрішні органи, чим підтверджено біологічну інертність матеріалу.
Експериментально, електрохімічним методом, доведено “біологічну інертність” вуглецевого матеріалу, його можливість використання у комбінації з титановими імплантатами та іншими металевими імплантатами із захисним покриттям у клінічних умовах. Доведено, що в парі з титановими імплантатами, а також імплантатами із захисним покриттям вуглецевий композиційний матеріал не утворює у фізіологічній рідині активних гальванопар, здатних призвести до металозу, пізніх інфекційних ускладнень тощо.
Вперше шляхом математичного моделювання методом кінцевих елементів розраховано оптимальні параметри з’єднання імплантату з кісткою. Обґрунтовано форму імплантатів та особливості з’єднання імплантатів з кісткою.
Розроблено нові способи з’єднання кісткових фрагментів та заміщення післярезекційних дефектів довгої кістки, що дозволяють забезпечити надійну первинну стабільність сегмента та зберегти її на максимально довгий період.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблені нові імплантати і методика з’єднання кісткових фрагментів забезпечують достатню стабільність сегмента, що при клінічному застосуванні імплантатів з ВВКМ забезпечує скорочення загальних строків лікування й соціальної реабілітації хворих за рахунок безіммобілізаційного ведення хворих, ранніх рухів у суміжних суглобах. При використанні розроблених методик остеосинтезу і заміщення кісткових дефектів імплантати не потребують заміни.
Для заміщення сегментарних дефектів довгих кісток запропоновано оригінальні комбіновані імплантати з вуглецевого композиційного матеріалу у вигляді внутрішньокісткового стержня, який фіксують у кістковомозковому каналі, і кортикального «спейсера» у вигляді порожнистої трубки, через яку проходить стержень, й обґрунтовано доцільність його клінічного застосування.
Розроблено та виготовлено зразки імплантатів для заміщення кісткових дефектів, відпрацьовано методики їх використання при діафізарних і метадіафізарних сегментарних дефектах довгих кісток, проведено клінічну апробацію запропонованих пристроїв та методик, запатентовано два запропонованих способи заміщення кісткових дефектів.
Виробником отримано дозвіл на використання імплантатів з ВВКМ в клінічній практиці, тобто імплантати з ВВКМ ліцензовані і можуть використовуватися у клінічній практиці в Україні. Результати дисертаційного дослідження у вигляді методик заміщення сегментарних кісткових дефектів впроваджено в клінічну практику Державної установи “ Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України”, відділенні кісткової онкології Науково-дослідного інституту травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету ім.М. Горького МОЗ України та у клініці ушкоджень Військово-медичного клінічного центру північного регіону Департаменту здоров’я Міністерства оборони України.
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно проведено інформаційно-аналітичне дослідження, сформульовано вимоги до моделі остеосинтезу довгих кісток у хворих з патологічними переломами діафізів довгих кісток та до моделі заміщення сегментарних дефектів довгих кісток. Автор брав участь у розробці дизайну імплантатів і методик заміщення кісткових дефектів, методик остеосинтезу патологічних переломів і оформленні патентної документації.
У сумісних публікаціях автору належить участь у постановці завдань дослідження, технічна участь, аналіз отриманих результатів.
Автор брав участь в обговоренні мети й постановці завдань дослідження та аналізі отриманих даних в розділі, який присвячений вивченню електрохімічних властивостей вуглецевого композиційного матеріалу. Дослідження виконані в НТУ ХПІ за допомогою старшого наукового співробітник О.К.Сєвідової. Автор брав участь в постановці завдань дослідження, технічних розробках й аналізі результатів у розділі роботи, який присвячений математичному моделюванню особливостей з’єднання фрагментів кістки при кістковому дефекті. Дослідження виконані в лабораторії біомеханіки ДУ „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка Академії медичних наук України” за допомогою І.А. Субботи, М.Ю. Карпінського, Н.Ю. Полєтаєвої. Автор брав участь у постановці завдань, імплантації вуглецевого матеріалу і в аналізі отриманих даних у дослідженнях, що присвячені вивченню біосумісності вуглецевого матеріалу в експерименті на тваринах. Дослідження виконані на базі лабораторії морфології сполучної тканини ДУ „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” за допомогою к.біол.н. Н.А.Ашукіної та на базі лабораторії експериментального моделювання ДУ „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка Академії медичних наук України” за допомогою Г.В. Іванова. Відбір хворих для оперативного лікування за розробленою методикою з’єднання кісткових фрагментів при дефектах кістки та патологічних переломах здійснювався при безпосередній участі автора.
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи обговорено на наукових форумах різного рангу: на Міжнародній науково-практичній українсько-польській конференції (Красічин, 2005); науково-практичній конференції “Морфогенез і патологія кісткової системи в умовах промислового регіону Донбасу” (Луганськ, 2006); науково-практичній конференції «Новое в ортопедии и травматологии» (Донецьк-Сопіне, 2006), ХІV з’їзді ортопедів-травматологів України (Одеса, 2006); науково-практичному семінарі з використання вуглецевих матеріалів у медицині (Китай, 2006).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових праць, з них 3 статті у провідних наукових фахових виданнях, 2 деклараційні патенти України на корисні моделі, 2 роботи у матеріалах конференцій та з’їздів.
Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота містить 148 сторінок друкованого тексту, 48 рисунків, 8 таблиць, складається зі вступу, 8 розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Список використаних джерел містить 132 джерела, з яких 89 – іноземних авторів.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
На першому етапі роботи проведено аналіз патентної та наукової інформації, який виявив низку невирішених питань щодо особливостей заміщення сегментарних дефектів довгої кістки. Це питання клітинної та тканинної реакції біологічного об’єкта на вуглець-вуглецевий матеріал, електрохімічні особливості утворення гальванопари метал-вуглецевий матеріал, можливості клінічного використання вуглецевих імплантатів. Відсутня концепція надійного з’єднання довгих кісток з використанням імплантатів із вуглецевого матеріалу, відсутня теоретично та експериментально обґрунтована технологія заміщення сегментарних дефектів довгих кісток з використанням вуглецевих імплантатів, не розроблені пристрої з вуглецевого матеріалу, що забезпечують надійну тривалу фіксацію кісткових відламків.
Ці невизначені питання знайшли своє вирішення у подальших етапах дослідження. Так, в експерименті на тваринах одержано нові дані про реакцію кістки та м’яких тканин, що оточують імплантат з ВВКМ, особливості його використання в якості матеріалу для заміщення кісткових дефектів.
Експериментальні дослідження виконані на білих лабораторних щурах популяції Вістар (ДУ “ІПХС АМНУ”) віком від 3 до 12 міс. та живою вагою 380-400 г на початок експерименту. Загальна кількість експериментальних тварин – 63. Вивчали морфологічні зміни у кістковій тканині при імплантації вуглецевого матеріалу у губчасту кістку (9 тварин віком 3 місяці).
Операції на тваринах виконували під загальним тіопенталовим наркозом. Після обробки операційної зони спиртовим розчином йоду робили розтин шкіри й здійснювали доступ до дистального метафіза стегнової кістки (латерально). За допомогою стоматологічного бора (діаметр 2 мм) моделювали кістковий дефект, в якому розташовували вуглецевий стержень. Рану обробляли антибіотиками й пошарово ушивали. Щурів виводили з експерименту через 40, 70 та 115 діб після хірургічного втручання шляхом передозування тіопенталу натрію. Для гістологічних досліджень видаляли фрагменти стегнових кісток з ділянками імплантації.
Морфологічну оцінку біосумісності вуглецевого матеріалу та його накопичення у віддалених органах та тканинах проводили при підшкірній імплантації 10 лабораторним щурам (3-6-місячного віку) вуглецевого матеріалу у вигляді циліндрів (діаметр 8 мм, висота 4 мм). Контролем служили інтактні тварини. Для гістологічного дослідження вилучали легені, тимус, нирки та печінку, фрагменти шкіри з зоною імплантації.
Відпрацювання методики з’єднання кісткових відламків в експерименті на тваринах та дослідження накопичення вуглецевого матеріалу у віддалених органах та тканинах при комбінованому внутрішньокістково-накістковому розташуванні імплантатів було виконано на 44 білих щурах лінії Вістар 12-місячного віку. Щурів виводили з експерименту через 12 місяців після операції, препарували та у зразках печінки, легенів, селезінки та мозку після спеціальної обробки для гістологічного дослідження візуально визначали наявність або відсутність фрагментів вуглецю.
Експерименти на тваринах проводили відповідно до правил
8-09-2015, 22:05