Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

Журнал «Травма» Том 23, №3, 2022

Вернуться к номеру

Експериментальне дослідження динаміки біодеградації матеріалу на основі полілактиду й трикальційфосфату після заповнення ним кісткових дефектів

Авторы: Хвисюк О.М. (1), Гонтар Н.М. (1), Пастух В.В. (1), Карпінський М.Ю. (2), Карпінська О.Д. (2)
(1) — Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна
(2) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Версия для печати


Резюме

Актуальність. Лікування порушень репаративного остеогенезу є актуальною проблемою сучасності. Завдяки розвитку 3D-технологій дослідження регенеративного потенціалу кісткової тканини можливе якісне розв’язання питання пластики кісткових дефектів. Мета: в експерименті на тваринах вивчити динаміку заміщення кістковою тканиною біодеградуючого матеріалу на основі пористого полілактиду з трикальційфосфотом після заповнення кісткового дефекту. Матеріали та методи. Роботу виконано на 15 лабораторних білих щурах-самцях — 3 групи по 5 тварин. Усім тваринам за допомогою стоматоло-гічного бура виконували порожнинний дефект у дистальному відділі стегнової кістки. Дефект заповнювали біодеградуючим матеріалом на основі полілактиду з додаванням 45% трикальційфосфату і розміром пор 300 мкм. Тварин виводили з експерименту групами через 15, 30 і 90 діб після операції. На рентгенограмах вимірювали показники оптичної щільності в зоні кісткового дефекту оперованої кістки й аналогічній зоні контралатеральної кістки (контрольна група). Результати. Щільність кісткової тканини щурів зростала протягом експерименту, про що свідчать показники щільності інтактних кісток від 15-ї до 90-ї доби, коли щільність змінювалась від 148 ± 31 опт.од. до 183 ± 2 опт.од., що виявилось статистично значущим на рівні р = 0,045. Статистично значуще (р = 0,015) зростання щільності спостерігали і в період між 30-ю і 90-ю добою — від 156 ± 15 опт.од. до 183 ± 2 опт.од. На етапі між 15-ю і 30-ю добою статистичної значущості зміни оптичної щільності інтактної кісткової тканини не спостерігали (р = 0,658). У зоні дефекту стегнової кістки статистично значущих змін оптичної щільності не виявлено в жодному періоді експерименту. Це пов’язане у першу чергу з різною спрямованістю динаміки процесу. Так, у період з 15-ї до 30-ї доби спостерігали зниження оптичної щільності в зоні дефекту від 185 ± 29 опт.од. до 163 ± 24 опт.од. (р = 0,342), що свідчить про запуск процесу біодеградації матеріалу, яким заповнювали дефект. У період з 30-ї по 90-ту добу, навпаки, визначається зростання оптичної щільності до 182 ± 3 опт.од, що може буди наслідком процесу кісткоутворення і заміщення заповнювача кістковою тканиною, але статистичної значущості змін також не визначено (р = 0,126). Висновки. Протягом експерименту щільність інтактної кісткової тканини щурів статистично значуще (р = 0,045) зростала, що пов’язано з віком тварин. У зоні дефекту стегнової кістки в період з 15-ї по 30-ту добу спостерігали зниження оптичної щільності від 185 ± 29 опт.од. до 163 ± 24 опт.од., що може свідчити про запуск процесу біодеградації матеріалу, яким був заповнений дефект. У строк від 30-ї до 90-ї доби в зоні дефекту спостерігали зростання оптичної щільності до 182 ± 3 опт.од, що наблизилося до рівня інтактної кістки — 183 ± 2 опт.од., про що свідчить відсутність статистичної значущості між цими показниками (р = 0,642). Це може буди наслідком процесу кісткоутворення й заміщення ­заповнювача кістковою тканиною.

Background. Treatment of impaired reparative osteogenesis is an urgent problem of our time. Thanks to the development of 3D technologies for the study of the regenerative potential of bone tissue, a qualitative solution to the problem of plasticity of bone defects is possible. In an animal experiment, the dynamics of bone tissue replacement with a biodegradable material based on porous polylactide and tricalcium phosphate after filling a bone defect was studied. Materials and methods. The work was performed on 15 laboratory white male rats, 3 groups of 5 animals each. A cavity defect in the distal femur was performed in all animals with the help of a dental drill. The defect was filled with a biodegradable material based on polylactide with the addition of 45% tricalcium phosphate and a pore size of 300 μm. Animals were sacrificed 15, 30 and 90 days after the surgery. On radiographs, optical density indicators were measured in the area of defect in the operated bone and in the similar area of the contralateral bone (control group). Results. The density of the bone tissue of rats increased during the experiment, as evidenced by the density of intact bones from days 15 to 90, when it varied from 148 ± 31 HU to 183 ± 2 HU, which turned out to be statistically significant at the level of p = 0.045. A statistically significant (p = 0.015) increase in density was also observed between days 30 and 90, from 156 ± 15 HU to 183 ± 2 HU. Between days 15 and 30, no statistically significant changes in the optical density of intact bone tissue were observed (p = 0.658). No statistically significant changes in optical density were found in the femoral defect zone in any period of the experiment. This is connected, first of all, with the shear direction of the dynamics of the process. Thus, in the period from days 15 to 30, a decrease in optical density in the defect zone was observed, from 185 ± 29 HU to 163 ± 24 HU (р = 0.342), which indicates the start of the biodegradation of the material used to fill the defect. Between days 30 and 90, on the contrary, the optical density increased to 182 ±
± 3 HU, which may be a consequence of the bone formation process and the replacement of the filler with bone tissue, but the statistical significance of the changes was not also determined (р = 0.126). Conclusions. During the experiment, the density of intact bone tissue of rats increased statistically significantly (p = 0.045), which is related to the age of the animals. In the area of femoral defect, a decrease in optical density on days 15–30 was observed, from 185 ± 29 HU to 163 ± 24 HU, which may indicate the start of the biodegradation of the material that filled the defect. In the period from days 30 to 90, an increase in optical density in the defect zone was observed — up to 182 ± 3 HU that approached the level of intact bone (183 ± 2 HU), which is evidenced by the lack of statistical significance between these indicators (р = 0.642). This may be a consequence of the process of bone formation, and replacement of the filler with bone tissue.


Ключевые слова

кістковий дефект; рентгенометрія; щільність; полілактид

bone defect; radiography; density; polylactide

Вступ

Лікування порушень репаративного остеогенезу є актуальною проблемою сучасності. Стрімкий розвиток технічного прогресу за останні десятиліття призвів до зростання показників травматизму й частоти травматичних ускладнень при переломах кісток скелета. За цей період збільшується кількість оперативних технологій, але частота порушень консолідації не зменшується.
Частка порушень репаративного остеогенезу при переломах кісток, за даними різних авторів, становить 2,5–30 %. Виникає потреба в альтернативних рішеннях даної проблеми. 
Завдяки розвитку 3D-технологій дослідження регенеративного потенціалу кісткової тканини можливе якісне розв’язання питання пластики кісткових дефектів [1]. Тканинна інженерія є одним з інноваційних напрямків покращення репаративних властивостей остеогенезу. Основу методу становить клітинний матеріал, що має здатність до репарації. До таких клітин належать мезенхімальні стовбурові клітини, які здатні перетворюватися в різні типи зрілих клітин [2]. 
Мета: в експерименті на тваринах вивчити динаміку заміщення кістковою тканиною біодеградуючого матеріалу на основі пористого полілактиду з трикальційфосфатом після заповнення кісткового дефекту.

Матеріали та методи

У лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» було проведено рентгенометричне дослідження щільності кісткового регенерату в різні терміни після заповнення порожнинного дефекту стегнової кістки. Роботу виконано на 15 лабораторних білих щурах-самцях (вік — 5 міс., жива маса тіла — від 350 до 400 г) популяції експериментально-біологічної клініки ДУ «ІПХС ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України». Експеримент на щурах проведений із дотриманням вимог Європейської конвенції про захист хребетних тварин, яких використовують для дослідних та інших наукових цілей (Страсбург, 1986 р.) і Закону України «Про захист тварин від жорстокого поводження» (ст. 26, 31) [3, 4]. Усі хірургічні втручання виконували в умовах асептики й антисептики під загальним знеболюванням: аміназин (10 мг/кг живої маси, в/м) і кетамін (50 мг/кг живої маси, в/м). 
Експериментальні тварини були розподілені на 3 групи по 5 тварин у кожній. Усім тваринам за допомогою стоматологічного бура виконували порожнинний дефект у дистальному відділі стегнової кістки. Дефект заповнювали біодеградуючим матеріалом на основі полілактиду з додаванням 45% трикальційфосфату й розміром пор 300 мкм. Тварин виводили з експерименту групами через 15, 30 і 90 діб після операції. 
Після виводу тварин з експерименту виділяли оперовані й контралатеральні стегнові кістки, після чого виконували їх рентгенограми. Для усунення похибок, пов’язаних з різною якістю рентгенограм (яскравість, контрастність тощо), кістки всієї виведеної групи подавали на одному знімку. Для усунення різниці між знімками, виконаними в різні терміни після операції, використовували тест-об’єкт (рис. 1).
На рентгенограмах вимірювали показники оптичної щільності (в одиницях градації сірого) в зоні кісткового дефекту оперованої кістки й аналогічній зоні контралатеральної кістки (контрольна група). Також виконували вимірювання оптичної щільності тест-об’єкта в його верхньому правому куті. Показник оптичної щільності тест-об’єкта на рентгенограмі кісток через 15 діб після операції був прийнятий за одиницю. Для рентгенограм кісток тварин, виведених з експерименту на 30-ту й 90-ту добу після операції, за показниками оптичної щільності тест-об’єкта визначали поправочний коефіцієнт, на який множили показники щільності зображених на них кісток. Вимірювання оптичної щільності виконували за допомогою програмного комплексу X-rays (рис. 2), розробленого в Харківському національному університеті радіоелектроніки [5–7].
Дані експерименту були оброблені статистично. Розраховували середнє (М), стандартне відхилення (SD), мінімальне (min) і максимальне (max) значення вибірки. Порівняння значень оптичної щільності на контралатеральних кінцівках проводили за допомогою Т-тесту для парних вибірок [8].

Результати та обговорення

Було проведено аналіз зміни оптичної щільності зони дефекту на оперованій кінцівці й інтактної кістки на тому ж рівні в процесі спостереження. Результати наведені в табл. 1.
За даними статистичного аналізу було визначено, що на 15-ту добу після операції оптична щільність зони дефекту становила в середньому 185 ± 29 опт.од., що було статистично значущо (р = 0,004) більше, ніж оптична щільність аналогічної зони на інтактній кістці — 148 ± 31 опт.од. 
Через 1 місяць спостерігали зменшення оптичної щільності зони дефекту до 163 ± 24 опт.од., при тому та ж зона на інтактній кінцівки збільшилася до 156 ± 15 опт.од. Через 1 місяць після операції оптична щільність кісток вирівнялася до статистично близького рівня (р = 0,642). 
На 3-й місяць спостереження міцність зони дефекту досягла рівня 182 ± 3 опт.од., що наблизилося до рівня інтактної кістки — 183 ± 2 опт.од., що статистично не відрізняється (р = 0,642).
Динаміка оптичної щільності кісткової тканини у щурів у процесі спостереження наведена на діаграмі (рис. 3).
На даній діаграмі показано, що на 15-ту добу після операції оптична щільність імплантата вища, ніж аналогічної зони інтактної кістки. Через місяць щільність імплантата знижується, але залишається трохи більшою, ніж щільність кістки, тобто біодеградація імплантованого матеріалу відбувається не повністю. На 3-й місяць після операції спостерігали вирівнювання оптичної щільності зони імплантації та інтактної кістки. Тобто виникла повна біодеградація імплантата, а дефект був заповнений кістковою тканиною. Як показано на діаграмі, первинна оптична щільність імплантата дорівнювала щільності кісткової тканини інтактної кістки на 3-й місяць спостереження, це дозволило через 1 місяць спостереження, з огляду на швидкість біодеградації, забезпечити достатню міцність оперованої кістки на рівні інтактної. 
У табл. 2 наведено результати порівняльного аналізу динаміки зміни оптичної щільності зони дефекту й інтактної кістки протягом часу експерименту.
Як показали результати статистичного аналізу, щільність кісткової тканини щурів статистично значуще зростала протягом експерименту, про що свідчать показники щільності інтактних кісток в період від 15-ї до 90-ї доби, коли щільність змінювалась від 148 ± 31 опт.од. до 183 ± 2 опт.од., що виявилось статистично значущим на рівні р = 0,045. Статистично значуще (р = 0,015) зростання щільності спостерігали й у період між 30-ю і 90-ю добою — від 156 ± 15 опт.од. до 183 ± 2 опт.од. На етапі між 15-ю і 30-ю добою статистичної значущості зміни оптичної щільності інтактної кісткової тканини не спостерігали (р = 0,658), що пов’язано, на нашу думку, з коротким строком між даними етапами експерименту.
Що стосується зони дефекту стегнової кістки, то в даній зоні статистично значущих змін оптичної щільності не виявлено в жодному періоді експерименту. Це передусім пов’язано з різною спрямованістю динаміки процесу. Так, у період з 15-ї до 30-ї доби спостерігали зниження оптичної щільності в зоні дефекту від 185 ± 29 опт.од. до 163 ± 24 опт.од. (р = 0,342), що свідчить про запуск процесу біодеградації матеріалу, яким заповнювали дефект. У період з 30-ї по 90-ту добу, навпаки, визначається зростання оптичної щільності до 182 ± 3 опт.од, що може буди наслідком процесу кісткоутворення й заміщення заповнювача кістковою тканиною, але статистичної значущості змін також не визначено (р = 0,126). Іншою причиною відсутності статистичної значущості зміни показників оптичної щільності в зоні дефекту є великий розкид цієї величини між кістками окремих тварин, що є наслідком варіабельності як розмірів дефекту, так і обсягу заповнюючого його матеріалу.

Висновки

1. Протягом експерименту щільність інтактної кісткової тканини щурів статистично значуще (р = 0,045) зростала, що пов’язано з віком тварин.
2. У зоні дефекту стегнової кістки в період з 15-ї по 30-ту добу спостерігали зниження оптичної щільності від 185 ± 29 опт.од. до 163 ± 24 опт.од., що може свідчити про запуск процесу біодеградації матеріалу, яким був заповнений дефект.
3. У термін від 30-ї до 90-ї доби в зоні дефекту спостерігали зростання оптичної щільності до 182 ± 3 опт.од, що наблизилося до рівня інтактної кістки — 183 ± 2 опт.од., про що свідчить відсутність статистичної значущості між цими показниками (р = 0,642). Це може буди наслідком процесу кісткоутворення й заміщення заповнювача кістковою тканиною.
Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.
 
Отримано/Received 02.06.2022
Рецензовано/Revised 19.06.2022
Прийнято до друку/Accepted 28.06.2022

Список литературы

1. Хесуани Ю.Дж., Сергеева Н.С., Миронов В., Мустафин А.Г., Каприн А.Д. Введение в 3D-биопринтинг: история формирования направления, принципы и этапы биопечати. Гены и клетки. 2018.
2. Caddeo S., Boffito M., Sartori S. Tissue engineering approaches in the design of healthy and pathological in vitro tissue models. Front. Bioeng Biotechnol. 2017. 5. 40. 
3. Європейська конвенція про захист хребетних тварин, що використовуються для дослідних та інших наукових цілей. Страсбург, 18 березня 1986 року: офіційний переклад / Верховна Рада України. Офіц. веб-сайт. http://zakon.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cginreg = 994_137.
4. Про захист тварин від жорстокого поводження: Закон України № 3447-IV вiд 21.02.2006 / Верховна Рада України. Офіц. веб-сайт. http://zakon.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?nreg = 3447-15.
5.  Авер’янова Л.О., Шармазанов С.А. Спеціалізовані програмні засоби для моніторингового дослідження стану кісткової системи населення. Радіотехніка: Всеукр. міжвід. наук.-техн. зб. 2001. Вип. 120. С. 206-209.
6. Тимошенко О.П., Карпинский М.Ю., Верецун А.Г. Исследование диагностических возможностей программного комплекса «Х-rays». Медицина и. 2001. № 1. С. 62-64
7. Головіна Я.О., Малик Р.В., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. Дослідження рентгенологічної кісткової щільності у пацієнтів з кістковими пухлинами у разі застосування сегментарних кісткових алоімплантатів. Травма. Т. 23. № 1. С. 43-50. DOI: 10.22141/1608-1706.1.23.2022.881.
8. Бююль А., Цефлер П. SPSS: искусство обработки информации. Анализ статистических данных и восстановление скрытых закономерностей: Пер. с нем. СПб.: ДиаСофтЮП, 2005. 608 с.

Вернуться к номеру