Повышение эффективности восстановления альвеолярных костных параметров челюстей аллогенными остеопластическими материалами с целью последующего восстановления дефектов зубных рядов методом дентальной имплантации является одним из приоритетных направлений в современной практической стоматологии [1, 2].
Несмотря на множество предложенных методик костной аугментации, одним из приближенных по эффективности биологических свойств к аутогенному костному материалу считается лиофилизированный аллогенный остеопластический материал [3—8].
Однако, несмотря на высокий остеопластический потенциал, при внесении костного материала и установке дентального имплантата в интра- и постоперационном периоде на область оперативного вмешательства воздействуют всевозможные прилагаемые нагрузки.
Это подтверждает немаловажное значение определения физических свойств костного материала при различных биомеханических воздействиях для обеспечения точного прогнозирования адаптационного поведения лиофилизированных аллогенных костных материалов [9—11].
При этом полученный в результате исследования модуль Юнга даст возможность предварительного анализа цифровых моделей индивидуальных костных блоков для получения данных об их несущей способности.
Исходя из вышесказанного, изучение биомеханических и биофизических свойств лиофилизированного аллогенного костного материала играет ключевую роль в формировании оптимальных условий реабилитации пациентов при аугментации костной ткани альвеолярного гребня челюстей и последующей дентальной имплантации.
Цель исследования — определить в эксперименте несущую способность и модуль Юнга лиофилизированного аллогенного костного материала.
Материал и методы
Для определения модуля Юнга лиофилизированного аллогенного костного материала использовались 5 образцов лиофилизированных аллогенных костных блоков из губчатого слоя головки бедренной кости, изготовленных по технологии «Лиопласт-С», которая включает следующие этапы:
1. Проведение аутопсии и серологического исследования крови донора на сифилис, вирусы иммунодефицита человека, а также гепатитов B, C.
2. Ультразвуковая обработка (26—40 кГц) и проведение первичной стерилизации полученных костных материалов.
3. Обработка лиофилизацией, которая представляет собой вакуумную низкотемпературную обработку костного материала с дальнейшей его герметичной упаковкой.
4. Герметично упакованный материал подвергается стерилизации гамма-лучами.
Для проведения экспериментального исследования из 5 лиофилизированных аллогенных костных блоков из губчатого слоя головки бедренной кости посредством фрезерной обработки были изготовлены 5 опытных образцов костных блоков цилиндрической формы, продольный размер (высота) которых составлял 9 мм, а поперечный размер (диаметр) — 10 мм (рис. 1).
Рис. 1. Образец лиофилизированного аллогенного костного блока.
В процессе лабораторно-экспериментального исследования осуществлялось поочередное вертикальное статическое нагружение опытных образцов усилием сжатия. Для моделирования нагрузки была применена экспериментальная машина с числовым программным управлением Zwick/Roell Z050 (рис. 2), основные технические характеристики которой представлены в табл. 1.
Рис. 2. Экспериментальная машина Zwick/Roell Z050.
Таблица 1. Основные технические характеристики экспериментальной машины Zwick/Roell Z050
| № п/п | Характеристики | Значение |
| 1 | Наибольшая предельная нагрузка, кН | 50 |
| 2 | Пределы допускаемой относительной погрешности силоизмерителя, % | ±1 |
| 3 | Максимальная скорость перемещения подвижной траверсы, мм/мин | 600 |
| 4 | Пределы допускаемой погрешности регулировки скорости подвижной траверсы, % | ±1 |
| 5 | Высота рабочего пространства без захватов, мм | 1355 |
Экспериментальные исследования осуществлялись следующим образом. Между нагружающим устройством (верхняя плита) и опорой (нижняя плита) экспериментальной машины размещался опытный образец костного блока, на который проводили вертикальную статическую нагрузку (рис. 3).
Рис. 3. Размещение образца в экспериментальной машине.
1 — нагружающее устройство (верхняя плита); 2 — опытный образец костного блока; 3 — опора (нижняя плита).
Настройки программного обеспечения testXpert II экспериментальной машины Zwick/Roell Z050 устанавливались таким образом, чтобы обеспечить скорость нагружения 1,5 мм/мин. Испытания несущей способности опытных образцов костных блоков проводились в автоматическом режиме. Окончание испытания происходило после того, как было зафиксировано снижение нагрузки на опытный образец костного блока более чем на 60% от максимального значения.
В результате испытаний были получены диаграммы нагружения исследуемых образцов лиофилизированных аллогенных костных блоков, позволившие определить максимальные усилия нагрузки (6012H), которые способны воспринимать опытные образцы (рис. 4).
Рис. 4. Типовая диаграмма для исследуемых образцов.
1 — Ось X — Деформация сжатия, %; 2 — Ось Y — Напряжение, N.
Экспериментальные значения нагрузок, приводящих к разрушению для каждого из пяти опытных образцов лиофилизированных аллогенных костных блоков, отражены в табл. 2.
Таблица 2. Экспериментальные значения модуля Юнга, определенные при разрушении опытных образцов лиофилизированных аллогенных костных блоков
| № образца | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Модуль Юнга, Ес, МПа | 148 | 146 | 148 | 146 | 147 |
Для статистической обработки полученных экспериментальных данных, представляющих собой малые выборки, с учетом условий эксперимента, где экспериментальные данные были получены методом непосредственного измерения (что можно допустить из-за малой величины допускаемой относительной погрешности силоизмерителя испытательного оборудования Zwick/Roell Z050 — таблица 1), применялось распределение Стьюдента.
Среднее усилие разрушения EC для каждой выборки определялось по формуле:
, (1)
где Eci — значение Модуль Юнга i — го образца; n — число образцов в выборке (n=5).
Среднее квадратичное отклонение sE определялось по формуле:
, (2)
При применении в статистической обработке экспериментальных данных распределения вероятностей Стьюдента, границы доверительного интервала зависят от числа экспериментов. Так, для случая выборки, состоящей из 5 образцов, искомое усилие разрушения с учетом величин доверительного интервала определяется по формуле:
, (3)
Результаты и обсуждение
В результате статистической обработки экспериментальных данных, проведенных по формулам (1), (2) и (3), были получены средние усилия разрушения костных образцов (табл. 3).
Характер диаграмм, полученных в результате испытаний нагружения опытных образцов лиофилизированных аллогенных костных блоков, подтвердил предположение, что в момент разрушения происходит спад нагрузки, что и подтверждает поведение кривой в зоне максимальных нагрузок, которая отражает спад воспринимаемого усилия.
В результате исследования можно сделать вывод, что хрупкое разрушение опытных образцов произошло при максимальном усилии нагрузки в 6012Н с показателем модуля Юнга (Ес), равным 147,2±0,228 МПа.
Заключение
На успех восстановления альвеолярных параметров костной ткани челюстей с последующей дентальной имплантацией во многом влияет не только остеопластический потенциал используемых материалов, но и их биофизические особенности. Модуль Юнга лиофилизированного аллогенного костного материала дает возможность предварительного расчета несущей способности цифровых моделей индивидуальных костных блоков, что имеет широкое практическое значение для восстановления дефектов альвеолярной костной ткани челюстей. Оценка модуля Юнга важна и в научной деятельности, обеспечивая возможность дальнейшего исследования свойств лиофилизированной аллогенной костной ткани для формирования предоперационного прогноза поведения остеопластического материала и установленного в него дентального имплантата.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.