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

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.

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).

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