Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Общие вопросы применения остеопластических материалов 11
1.2. Биологическая костная ткань. Состав, строение, свойства 18
1.3. Морфологические особенности остеогенеза в области имплантации синтетических кальций-фосфатных материалов 23
Глава 2 Материал и методы исследования 33
2.1. Экспериментальная часть 33
2.1.1. Характеристика экспериментального материала 34
2.1.2. Воспроизведение экспериментальной модели костного дефекта 35
2.1.3. Макроскопическое исследование костного материала 36
2.1.4. Морфологическое и морфометрическое исследование костного материала 36
2.2. Клинические методы исследования. Характеристика обследованных пациентов 38
2.3. Методы комплексного лечения 40
2.4. Протокол применения остеопластического материала АНГА («Гиалуост») во время хирургического вмешательства 42
2.5. Статистическое исследование 43
Глава3. Результаты исследования 45
3.1. Результаты экспериментального исследования 45
3.1.1. Макроскопическое исследование 45
3.1.2. Динамика репаративного остеогенеза в зоне костного дефекта через 1, 2, 3 месяца после операции по данным морфологического и морфометрического исследований 46
3.2. Результаты клинического исследования 56
Обсуждение полученных результатов 75
Заключение 85
Практические рекомендации 87
Выводы 88
Библиографический список использованной литературы 90
- Биологическая костная ткань. Состав, строение, свойства
- Воспроизведение экспериментальной модели костного дефекта
- Клинические методы исследования. Характеристика обследованных пациентов
- Динамика репаративного остеогенеза в зоне костного дефекта через 1, 2, 3 месяца после операции по данным морфологического и морфометрического исследований
Биологическая костная ткань. Состав, строение, свойства
Регенерация костной ткани в лечении целого ряда заболеваний является актуальным вопросом медицины [56, 135, 161].
С античных времен медики ищут способы реконструкции костных тканей посредством замещения дефекта имплантатом для обеспечения возможности нормального функционирования поврежденного органа.
Многие десятилетия ученые всех стран мира проводят научно-исследовательскую работу по созданию новых остеопластических материалов, обобщают и анализируют экспериментальные и клинические результаты, которые позволяют выявлять преимущества и недостатки каждого из них [2, 14, 25, 27, 29, 51, 52, 61, 68, 74, 78, 83, 84, 92, 98, 103, 123, 127].
В стоматологической практике деструктивные процессы челюстно лицевой области приводят к потере костной ткани и зубов, что ведет к нарушению жевательной функции, функции речи и эстетическим дефектам. Такое состояние не может не оказывать влияния на другие органы и системы, нередко сопровождаясь сенсибилизацией и инфицированием организма. Все это существенно отражается и на психологическом статусе пациентов [17, 30, 41, 47, 57, 146, 165]. Поэтому при хирургическом лечении патологических процессов челюстно-лицевой области применение остеопластических материалов способствует не только заполнению дефектов, но и восстановлению костной ткани [6, 28, 96, 133].
В настоящее время при деструктивных процессах в костной ткани используются биоматериалы естественного (аутотрансплантаты, аллоимплантаты, ксеноимплантаты) и искусственного происхождения – полимеры, биостекло, стеклокерамика (биоситаллы), а также поликристаллические материалы (керамика) на основе гидроксиапатита (ГА) и трикальцийфосфата (ТКФ) и их композиты [13, 14, 60, 68, 104, 137]. И, тем не менее, до сих пор остается актуальным вопрос оптимального выбора имплантируемого материала, который должен сохранять свои функциональные качества и способствовать ремоделированию костных структур [3, 31, 46, 111].
Аутокость считается «золотым стандартом» и является наиболее оптимальным материалом для закрытия костных дефектов. Тем не менее, применение аутотрансплантата не всегда бывает оправдано с точки зрения объема дефекта, состояния тканей, требует дополнительных хирургических вмешательств, что не может не сказаться на состоянии самого пациента, при котором увеличиваются сроки заживления и нетрудоспособности [2, 14, 41, 68]. Для замещения костных дефектов также используют алло - и ксенотрансплантаты, однако их применение может быть связано с риском передачи различных инфекционных заболеваний (ВИЧ, гепатит и др.), а также возможностью возникновения аллергических реакций и отторжения [14, 41].
Все биоматериалы искусственного происхождения можно подразделить на две группы: биоинертные и биоактивные. Однако в отличие от биоинертных, которые не оказывают активного влияния на рост костной ткани, а лишь заполняют костный дефект [14, 20, 21, 29], биоактивные материалы являются матрицей или «подложкой» для образования костной ткани на своей поверхности, обладая как остеокондуктивными, так и остеоиндуктивными свойствами [14, 162]. Такие материалы, способны влиять на функции клеток, усиливая эффективность дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток в остеообразующие при культивировании первых на биоактивном материале [20, 21, 29].
На сегодняшний день усилия исследователей направлены на создание синтетических биоматериалов, изначально близких по своему химическому и фазовому составу к структуре костной ткани. Эти материалы должны быть активными участниками процесса ремоделирования, с образованием биологического апатита в результате биохимических процессов взаимодействия с окружающими тканями и жидкостями организма [14, 37, 58, 83, 117, 129, 130].
К одной из групп биоактивных материалов относятся биостекла и биоситаллы. Ученые еще в начале 70-х годов отметили, что некоторые стекла в системе NaO-CaO-SiO-PO при имплантации в костный дефект не капсулируются, а находятся в прямом контакте с костной тканью. При этом в результате химической реакции образуется апатитовый слой, с выделением ионов кальция и образованием гидратированного SiO2 [9]. Формирование обогащенного слоя SiO2-геля на поверхности биостекла приводит к ультрапористой структуре [5, 14, 73, 92].
В начале 90-х годов ХХ века на кафедре ГОС ММСИ совместно с НИИ стекла был разработан биоситалл, который применялся при восстановлении дефектов костных тканей челюстей и внутрикостного эндопротезирования [92]. Однако в научной литературе существуют разные точки зрения на применение данных материалов. Известно, что стеклокерамика (биоситаллы) представляет собой многофазные стеклокристаллические материалы, в состав которых входят кристаллы фосфатов кальция, силикатов и других кристаллических фаз.
По мнению ряда ученых, биоситаллы обладают более высокой механической прочностью и трещиностойкостью по сравнению с биостеклами, и тем не менее, оба материала применимы в клинической практике и могут использоваться для заполнения костных дефектов, замещения тел позвонков и дефектов среднего уха [5, 14, 92].
Другие авторы считают, что ремоделирование костной ткани при физиологических нагрузках возможно лишь при согласованных показателях модулей упругости керамики и костной ткани, в противном случае значительная разница данных показателей может приводить к деградации костной ткани [3, 5, 14, 19, 25, 86, 31, 38, 59, 60, 67]. Поэтому, в хирургической практике использование биоситаллов и биостекол весьма ограничено из-за низких показателей механической прочности, усталости, трещиностойкости и различных количественных характеристик модулей упругости по сравнению с естественной костной тканью (в 10-100 раз) [14, 19, 144, 166, 167].
Значительный прогресс отмечается при использовании биоактивных материалов на основе ортофосфатов кальция для костной имплантации, структура, технология и свойства которых изучаются в течение многих лет [3, 14, 53, 54, 84, 106, 155] и до сих пор является актуальным объектом для экспериментальных и клинических исследований.
Многие ученые считают, что современные синтетические материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с остальными заменителями кости, говоря о них как о материалах «будущего», которые воспринимались бы организмом практически как аутогенная ткань. При этом процесс ремоделирования костной ткани в области имплантации должен обеспечиваться участием не только структурными элементами кости, но и применяемым остеопластическим материалом. В результате запущенного механизма резорбции материала его частицы становятся факторами костного ремоделирования, что и обеспечивает благоприятный процесс регенерации. Результаты доказательной медицины подтверждают успешное применение данных биоматериалов в мире и расширяют сферы их использования [27, 28, 33, 45, 46, 55, 59, 66, 90, 103].
Воспроизведение экспериментальной модели костного дефекта
Для последующего морфологического исследования материал (большеберцовой кости крыс) фиксировали в 10% нейтральном растворе формалина, затем декальцинировали в 12% растворе азотной кислоты, обезвоживали в спиртах восходящей концентрации и заливали в парафин. Полученные гистологические срезы толщиной 7 микрон окрашивали гематоксилин – эозином и по Ван-Гизону и изучали в светооптическом микроскопе. Всего было изготовлено 90 микропрепаратов по 30 образцов в каждой группе в различные сроки наблюдения (1, 2, 3 месяца).
Оценку полученных результатов проводили методом световой микроскопии и морфометрии.
Для более точной объективизации качественных и количественных характеристик структурных изменений в организме, органах и тканях в настоящее время широко применяется математический анализ количественных закономерностей развития и течения патологических процессов (Г.Г. Автандилов, 1980, 1986, 1996). Из применяемых в медицине количественных методов (морфометрия, цитоспектрофотометрия, флуорометрия, радиоавтография) особое значение имеют методы количественного морфологического анализа, которые позволяют определить количество структур на единицу площади изучаемого среза (плотность распределения) или на определённое число клеток (соответствующие индексы). Наиболее широкое применение получил метод «точечного счёта» (А.А. Глаголев, 1933). Данный количественный метод, в основе которого лежит теорема Делесса, позволяет переходить от стереометрического исследования к объёмной оценке изучаемых структур. Согласно данной теории, если срез тканевого объёма равномерно или случайно покрыть точками, то отношение числа точек, лежащих на профилях изучаемых структур к общему числу точек, будет равно фракции объёма, занимаемого этими структурами.
Метод морфометрии, по мнению ряда авторов, является достаточно совершенным и отвечающим требованиям объективизации интенсивности воспалительной реакции, позволяет изучать количественную характеристику процесса и снизить при этом субъективные погрешности исследователя (Г.Г. Автандилов и соавт., 1980,1987; Н.Э. Пашинян и соавт, 1986).
Морфометрическую оценку интенсивности развития репаративных процессов в зоне повреждения большеберцовой кости крыс без имплантата и с использованием композиционных материалов в разные сроки после начала эксперимента выполняли методом точечного счёта по Г.Г. Автандилову (1973). Подсчёт количества изучаемых структур проводили под микроскопом МБИ-15 с помощью специальной окулярной измерительной сетки Г.Г. Автандилова, которая состоит из большого квадрата, разделённого на 4 маленьких, с 25 точками в каждом. При увеличении микроскопа в 400 раз осуществляли 10 случайных наложений (метод случайных выборок) 100-точечной сетки на исследуемый объект (1000 точек). По числу совпадений тест-точек с изучаемыми структурами вычисляли в процентах объёмную долю молодой костной ткани в зонах интермедиарной и эндостальной костной мозоли, степень нарастания которой в зависимости от сроков наблюдения изменялась под влиянием «Гиалуост» и «КоллапАн».
Клинические методы исследования. Характеристика обследованных пациентов В течение 6 лет для лечения пациентов с различной хирургической патологией на амбулаторном хирургическом приеме применялись синтетические остеопластические материалы «Гиалуост» (Г) и «КоллапАн» (К) (по данным отчетных ведомостей ФГКУ ЦСП ФСБ России с 2006 по 2013 гг.).
Однако оценка результатов клинического применения исследуемого материала Г проводилась на пациентах с хроническим генерализованным пародонтитом (ХГП) тяжелой степени. Для этого методом рандомизации было отобрано 150 пациентов из общего количества (n=10515) обратившихся в поликилинику ФГКУ ЦСП ФСБ России за стоматологической хирургической помощью. Из них в исследование было включено 150 человек (82 женщины и 68 мужчин) проживающих в г. Москве и Московской области, в возрасте от 40 до 50 лет, у которых в полости рта присутствовало не менее 20 зубов. Средний возраст, включенных в исследование пациентов, составил 45,6 года. Критериями исключения пациентов из исследования явились: наличие тяжелой сопутствующей патологии (остеопороз и сахарным диабет), отягощенный аллергологический анамнез, курение, а также отказ от участия в исследовании. До начала лечения у всех пациентов, принимавших участие в научном исследовании, было получено информированное согласие на участие в нем.
Для сравнительной оценки результатов комплексного лечения все пациенты были разделены на две равные группы (по 75 человек) по полу, возрасту и виду применяемого остеопластического материала («Гиалуост» и «КоллапАн»), (см. табл. 2.1).
Клинические методы исследования. Характеристика обследованных пациентов
Прицельные рентгенограммы пациентки Л., 48 лет: а) дефект костной ткани в области зуба 3.3 до лечения б) через 6 месяцев после хирургического вмешательства с применением материала «Гиалуост». Прослеживаются фрагменты гранул материала.
Таким образом, результаты проведенного эксперимента, клинических наблюдений, а также литературных данных позволяют подтвердить наши высказывания о более медленном процессе ремоделирования костной ткани и резорбции исследуемого материала.
Все вышесказанное говорит о том, что аморфный нанодисперсный гидроксиапатит кальция «Гиалуост» на фоне выраженной остеокондукции обладает остеоиндуктивным потенциалом, однако его аморфность и мелкая пористость, по сравнению с гранулами «КоллапАн», замедляют процессы ремоделирования костной структуры [22].
Такое состояние в клинических наблюдениях подтверждалось сохранением каркасности и рельефности естественных контуров челюстных костей, уровнем маргинальной десны без выраженных признаков рецессии и полученными результатами рентгенологического мониторинга [99]. Проведенное научное исследование дает возможность практикующему врачу использовать материал на основе аморфного нанодисперсного гидроксиапатита кальция «Гиалуост» как препарат выбора при закрытии костных дефектов с частичной потерей компактной пластинки без направленной тканевой регенерации. Заключение
Результаты фундаментальных исследований последних десятилетий, научный прогресс и совершенствование технологических процессов производства способствовали созданию современных синтетических материалов, которые, обладая остеокондуктивными и/или остеоиндуктивными свойствами, успешно применяются в регенеративной медицине [12, 14, 24, 136].
Полувековая история внедрения костнозамещающих материалов, а также разработка искусственных ее аналогов означают, что задача восстановления и замещения кости на сегодняшний день являетcя актуальной. Эволюционный процесс развития материаловедения способствовал получению новых биоактивных композитов, которые в процессе резорбции стимулировали химические процессы ремоделирования костной структуры [14].
В последние годы, в стоматологии отмечается тенденция приоритетного использования остеопластических материалов синтетического происхождения на основе гидроксиапатита и трикальцийфосфата для закрытия костных дефектов в хирургической стоматологии (после удаления зубов, при цистэктомии) и восстановительной хирургии лица, ортопедии, травматологии, имплантологии (синус-лифтинг, пластика альвеолярного гребня) и пародонтологии. При этом выбор материала исключительно индивидуален и зависит от многих факторов.
В данном научном исследовании, основной целью которого явилось экспериментально-клиническое обоснование применения остеопластического материала «Гиалуост» в сравнении с «КоллапАн» получены результаты, которые показали эффективность применения его и подтвердили остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства. Анализ результатов эксперимента показал, что во всех группах животных к трем месяцам происходило формирование зрелой пластинчатой костной ткани с закрытием костного дефекта. Однако, скорость восстановления костной структуры при применении материала «Гиалуост» была медленней, чем у «КоллапАн» [14, 64, 99, 100].
Проведенное морфометрическое исследование показало количественные особенности формирования новой костной структуры в группе с «Гиалуост» в сравнении с группой «КоллапАн», в которой процесс ремоделирования проходил в течение двух месяцев равномерно как в эндостальной, так и в интермедиарной зоне. К трем месяцам наблюдалось увеличение показателя ОД до 79,2% лишь в эндостальной зоне, а в интермедиарной зоне отмечалась зрелая кость с четкими контурами [22].
В группе «Гиалуост» к трем месяцам происходило замедление процессов формирования костной ткани, и лишь в эндостальной зоне отмечалось наличие новообразованной костной ткани с ОД 41% и сохранением частиц материала, что рентгенологически у пациентов через 6, 12 и более месяцев выявлялось в виде формирования костной структуры с отдельными участками повышенной плотности [22].
Полученные результаты формирования костной структуры показали, что в отличие от кристаллического гидроксиапатита, аморфная структура и мелкий размер внутренних пор материала «Гиалуост», по сравнению с материалом «КоллапАн» замедляет процессы формирования костной ткани, а торможение резорбции материала позволяет длительно сохранять каркасность восстанавливаемой костной структуры [19, 37, 76, 107]. Такие результаты позволили разработать практические рекомендации для использования «Гиалуост» как материала выбора при различных клинических ситуациях.
Динамика репаративного остеогенеза в зоне костного дефекта через 1, 2, 3 месяца после операции по данным морфологического и морфометрического исследований
Проблема регенерации костной ткани до сегодняшнего времени остается актуальным вопросом медицины, который диктует необходимость поиска новых решений [14, 24, 44], основываясь на фундаментальных знаниях физиологии костной ткани, анализе результатов многолетних научно-экспериментальных и клинических исследований.
Известно, что минеральные составляющие в процессе формирования костной структуры представлены закристаллизованным или частично закристаллизованным гидроксиапатитом и аморфным фосфатом кальция, соотношение которых величина переменчивая и зависит от многих факторов, в том числе и от возраста. Аморфная структура в отличие от кристаллов не имеет правильной кристаллической решетки, менее устойчива, обладает избыточным запасом внутренней энергии, очень медленно распадается в организме и, при определенных условиях (изменение температуры, pH-среды) может самопроизвольно осуществлять переход в кристаллическое состояние [76]. Поскольку в цикле биологического ремоделирования костной ткани участвуют кристаллические формы гидроксиапатита, то переход аморфных структур в кристаллические является, по всей видимости, постоянным процессом поддержания константы кристаллических форм. При этом процесс кристаллизации происходит достаточно медленно и постепенно [67, 91, 149]. И если, по мнению ряда ученых, на решетке кристаллических форм гидроксиапатита могут адсорбироваться минералы типа дикальцийфосфатдегидрат и октокальцийфосфат, характерные для патологического минералообразования, то наличие аморфной фазы фосфата кальция способствует нормальной кальцификации при ремоделировании костной ткани [21, 25, 31, 67, 85]. Оптимальный выбор остеопластических материалов при лечении деструктивных процессов челюстно-лицевой области способствует формированию объема костной структуры, сохранению зубов, что в конечном итоге, обеспечивает прогнозируемый результат восстановления и сохранения всей зубочелюстной системы [16, 17, 20]. И не смотря на то, что «золотым стандартом» по-прежнему остается аутотрансплантат [14], наряду с очевидными преимуществами он имеет и ряд серьезных недостатков (вторичное хирургическое вмешательство, невозможность замещения объемных дефектов, риск инфекционных осложнений и др.) [8].
В последние десятилетия в современных отраслях медицины широко применяются биоматериалы природного и синтетического происхождения при трансплантации, реконструктивной хирургии и ремоделировании костных структур при дефектах, возникших в результате воспалительного процесса или травмы [2, 8, 13, 14, 25].
Как было отмечено ранее, активизация процесса остеогенеза напрямую зависит от характеристик применяемых остеопластических материалов, таких как форма, размер, пористость и внешняя шероховатость гранул, которая определяет площадь соприкосновения с клеточными и волоконными структурами, участвующими в процессе ремоделирования. От химического состава и размеров внутренних пор гранул зависит не только плотность самого материала, но и скорость его резорбции, а также возможность проникновения новых микрососудов, волоконных структур и остеогенных клеток при построении костной ткани, что и определяет его остеоиндуктивные свойства [14, 19, 24, 44, 69,107, 120, 126].
Совершенствование технологических процессов производства, и анализ результатов научно-исследовательской работы фундаментальной и практической медицины способствовали созданию новых современных синтетических материалов – биокомпозитов, обладающих остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами [14, 24, 44, 45, 46]. Современные биокомпозиты, такие как ортофосфаты кальция, гидроксиапатиты и биокерамика по своему химическому составу сходны с неорганической основой костей и зубов, и способствуют усилению индуктивного потенциала в ремоделировании костных структур [45, 46, 109, 169].
Предметом настоящего исследования явился биокомпозиционный отечественный материал «Гиалуост», состоящий из биоактивных, аморфных, нанодисперсных частиц гидроксиапатита кальция и гиалуроновой кислоты -катализатора процесса ремоделирования [8, 14], обладающего широким спектром биологических свойств и оказывающим большое влияние на гомеостаз клеток при заживлении ран и тканевой регенерации [43, 89]. (ГК) [64, 99, 100].
Экспериментально–клиническое изучение эффективности остеопластического материала «Гиалуост» проводилось в сравнительном аспекте с материалом «КоллапАн».
Биокомпозиционный, наноструктурированный материал «КоллапАн» был выбран в качестве материала сравнения – «стандарта» гидроксиапатита, как хорошо изученный в результате многолетних экспериментальных и клинических исследований [7, 9, 10, 11, 12, 15, 34, 36, 39, 50, 52, 56, 65, 66, 79, 80].
Следует отметить, что оба материала представлены наноструктурными частицами размером от 5 до 20 нм. Однако, если «Гиалуост» представлен аморфными нанодисперсными частицами гидроксиапатита 5-10нм, то «КоллапАн» кристаллическими наноструктурными частицами гидроксиапатита размером 20нм. Поэтому было важно в процессе исследования увидеть особенности ремоделирования костных структур при использовании аморфных и кристаллических форм гидроксиапатита. Для решения поставленных задач работа проводилась в три этапа: 1. экспериментально-морфологический, 2. клинический, 3. cтатистический (обработка и анализ полученных данных).
![Разработка и экспериментально-лабораторное обоснование применения нового материала на основе полиуретана для изготовления провизорных искусственых коронок [Электронный ресурс]](/i/i/4237/212104.png "Разработка и экспериментально-лабораторное обоснование применения нового материала на основе полиуретана для изготовления провизорных искусственых коронок [Электронный ресурс] Захарян Левон Олегович")
