Влияние наноструктурированных многофункциональных биосовместимых нерезорбируемых покрытий интраоссальных имплантатов на процесс их интеграции в кость (экспериментально-морфологическое исследование)

На правах рукописи

Топоркова

Анастасия Константиновна

ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БИОСОВМЕСТИМЫХ

НЕРЕЗОРБИРУЕМЫХ ПОКРЫТИЙ ИНТРАОССАЛЬНЫХ

ИМПЛАНТАТОВ НА ПРОЦЕСС ИХ ИНТЕГРАЦИИ В КОСТЬ

(экспериментально-морфологическое исследование)

14.00.21- Стоматология
14.00.15 - Патологическая анатомия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата медицинских наук

Москва - 2009

Работа выполнена в ФГУ «Центральный научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии Росмедтехнологий».

Научные руководители:

Доктор медицинских наук, профессор Кулаков Анатолий Алексеевич

Доктор медицинских наук, профессор Григорьян Алексей Суренович

Официальные оппоненты:

Доктор медицинских наук, профессор Рогинский Виталий Владиславович

Доктор медицинских наук, профессор Бабиченко Игорь Иванович

Ведущая организация:

ФГОУ "Институт повышения квалификации Федерального медико-биологического агентства России"

Защита состоится 16 декабря 2009 г. в 10-00 часов на заседании Диссертационного совета (Д.208.111.01) в ФГУ «Центральный научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии Росмедтехнологий» по адресу: Москва, 119991, ул. Тимура Фрунзе, д. 16 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ «Центральный научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии Росмедтехнологий» по адресу: Москва, 119991, ул. Тимура Фрунзе, д. 16.

Автореферат разослан 16 ноября 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

кандидат медицинских наук И.Е. Гусева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из центральных проблем стоматологии и челюстно-лицевой хирургии в области разработки, апробации и клинического применения дентальных имплантатов и конструкций для черепно-челюстно-лицевого остеосинтеза на сегодняшний день, как и прежде, является их совершенствование путём повышения их интеграционного потенциала и улучшения их прочностных характеристик (В.Л. Параскевич, 2002; Д.А. Хобкек и соавт., 2007; A. Jokstad, 2008; D. G. Olmedo et al., 2009).

Согласно данным литературы, оптимальной формой интеграции имплантатов в костную ткань признаётся остеоинтеграция, форма процесса непосредственного контакта имплантата с костной тканью без участия соединительной ткани (В.Ю. Никольский, 2005; А.А. Кулаков и соавт., 2006; А.А. Черниченко и соавт., 2006; M. Haga et al., 2009). Особое значение в формировании интеграционного потенциала имплантатов придаётся физико-химическим характеристикам поверхности последних (С.Г. Ивашкевич, 2007; P. Schupbach, 2005). Для модификации поверхности имплантата (создания шероховатости, микрорельефа) в настоящее время применяются различные методы (пескоструйная обработка, травление кислотами, плазменное напыление титана и т.д.). Однако все эти работающие методы несущественно изменяют интеграционный потенциал имплантата (V.C. Colnot et al., 2007; A. Palmquist et al., 2009).

Для улучшения остеоинтеграции имплантатов их поверхность часто покрывают слоем гидроксиапатита, однако низкие прочность, стойкость к ударным нагрузкам и резорбция покрытия ограничивают его применение для конструкций, работающих под нагрузкой в костной системе (В.Н. Лясников и соавт., 2000; В.Ф. Бочкарев и соавт., 2003).

Одним из решений проблемы получения нового поколения имплантатов является нанесение на их поверхность биосовместимых нерезорбируемых покрытий.

В настоящее время активно используются покрытия на основе карбидов и нитридов титана благодаря их высоким механическим и биоактивным свойствам (Д.В. Штанский и соавт., 2004; S. Piscanec et al., 2004; Y. Dong et al., 2007). Разрабатываются так же новые наноструктурированные многофункциональные биосовместимые нерезорбируемые покрытия (МБНП) на основе карбонитрида титана с добавлением в их состав Ca, P и O, что, как предполагается, позволит получить новый класс материалов, обладающих высоким комплексом механических характеристик, а так же значительным интеграционным потенциалом (Д.В. Штанский и соавт., 2005; Е.А. Левашов и соавт., 2008).

Создание отечественных высококачественных наноструктурированных изделий нового поколения с высокими показателями интеграционной активности и при этом более дешевых, чем импортные, обеспечит населению России более доступную дентальную имплантологию и приведет к повышению качества оказываемых стоматологических услуг.

Все вышеуказанное свидетельствует об актуальности и перспективности использования наноструктурированных МБНП поверхности внутрикостной части дентальных имплантатов. Исследований интеграционного потенциала этих покрытий в костную ткань проведено не было, что послужило основанием для выполнения настоящей работы.

Цель исследования: совершенствование имплантатов, применяемых в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, посредством использования наноструктурированных многофункциональных биосовместимых нерезорбируемых покрытий, повышающих интеграционный потенциал имплантатов.

Задачи исследования

1. Оценить в опытах in vitro интенсивность процессов адгезии и распластывания клеток культуры эмбриональных фибробластов человека на поверхности образцов титановых пластин, а так же нитей и пластин из политетрафторэтилена (ПТФЭ) с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями.

2. Исследовать в опытах на крысах влияние наноструктурированных многофункциональных биосовместимых нерезорбируемых покрытий на процесс интеграции фрагментов титановой проволоки имплантированных в бедренную кость.

3. Оценить и сопоставить в опытах на собаках с экспериментально воспроизведенной частичной адентией выраженность интеграции интраоссальных имплантатов фирмы «Конмет» без покрытий и с наноструктурированным покрытием состава Ti-Ca-P-C-O-N в кость.
4. Исследовать в опытах на крысах интеграционный потенциал образцов политетрафторэтиленовых нитей с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями при имплантации их в бедренную кость.
5. В опытах на кроликах, изучить возможность применения пластин из политетрафторэтилена с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N для устранения обширных дефектов плоских костей черепа, оценив при этом их интеграционный потенциал в сопоставлении с политетрафторэтиленовыми пластинами без покрытия.

Научная новизна

Впервые в экспериментах in vivo, в том числе на основании данных гистоморфологического исследования, установлено значимое повышение интеграционного потенциала, которое достигается в результате нанесения на внутрикостные имплантаты покрытия состава Ti-Ca-P-C-O-N, и выражается в формировании в периимплантатной зоне новообразованных костных структур, что указывает на течение интеграционного процесса по типу остеоинтеграции.

Впервые в опытах in vitro в соответствии с государственным стандартом Российской Федерации ГОСТ Р ИСО 10993.5-99 (Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 5. Исследование на цитотоксичность: методы in vitro) методом прямого контакта с культурой эмбриональных фибробластов человека установлен высокий уровень биологической совместимости имплантационных материалов с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями.

Разработан новый гибридный имплантационный материал на основе политетрафторэтилена с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями, который предлагается для устранения дефектов плоских костей [Патент на изобретение №2325191 от 16.02.2007].

Разработана новая экспериментальная модель внутрикостного имплантата, состоящая из политетрафторэтилена с металлическим нанопокрытием, которая позволяет изучать тонкие морфофункциональные характеристики тканевых структур периимплантатной зоны и молекулярные механизмы интеграции имплантационных материалов в кость при помощи гистологических, иммуногистохимических и электронно-микроскопических методов.

Практическая значимость

Разработаны и предлагаются для применения в практической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии отечественные высококачественные наноструктурированные многофункциональные биосовместимые нерезорбируемые покрытия дентальных имплантатов, а также конструкций для черепно-челюстно-лицевого остеосинтеза с высокими показателями интеграционной активности и при этом более дешевых, чем импортные.

Разработаны и обоснованы для применения в клинике имплантаты нового класса на основе политетрафторэтилена с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями для устранения дефектов плоских костей.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментально-морфологического исследования области контакта образцов титановых имплантатов с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями и тканевых, в том числе костных, структур периимплантатной зоны, свидетельствуют о высоком интеграционном потенциале исследуемых покрытий, что находит своё отражение в превалировании остеогенеза над образованием соединительной ткани в области контакта имплантат – тканевый субстрат.
2. Исследование адгезии и распластывания эмбриональных фибробластов человека на поверхностях образцов из титана и политетрафторэтилена с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями выявили повышение интенсивности клеточной кинетики на образцах с данными покрытиями.
3. Результаты исследования морфофункциональных характеристик тканевых структур периимплантатной зоны при имплантации образцов политетрафторэтилена с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями в кость, свидетельствуют об их высоком остеоинтеграционном потенциале.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: всероссийском совещании «Биокерамика в медицине» (Москва, 2006); Симпозиуме «Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии» (Москва, 2007); Британо-Российском совещании по стволовым клеткам «Стволовые клетки: законодательство, исследования и инновации» (Москва, 2007).

Предзащитное обсуждение материалов исследования проведено на совместном заседании сотрудников структурных подразделений ФГУ «ЦНИИС и ЧЛХ Росмедтехнологий»: отдела общей патологии; отделения клинической и экспериментальной имплантологии; отделения ортопедической стоматологии и имплантологии; отделения амбулаторной хирургической стоматологии.

Публикации

Основные результаты диссертационного исследования отражены в 9 научных работах, из них 4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК РФ; 1 патент на изобретение и 1 монография.

Объем и структура диссертационной работы

Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, обсуждения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Работа иллюстрирована 104 рисунками. Список литературы содержит 153 источника, в том числе 46 отечественных и 107 иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материал и методы исследования

Материал исследования. Объектом исследований в настоящей работе явились наноструктурированные МБНП в системах Ti-Ca-P-C-O-N и Ti-Ca-Mn-K-C-O-N, которые имеют уникальное сочетание физико-механических и коррозионных свойств, а именно: пониженный модуль упругости – 170-270 ГПа; высокую адгезионную прочность к подложке до 50 Н; высокую степень упругого восстановления до 75%; низкий коэффициент трения 0.12-0.22; низкую скорость износа – 10-6 - 10-7 мм3/Нм; низкую шероховатость Rrms=0.13-1.5 нм; высокую твердость – 30-40 ГПa; высокое сопротивление пластической деформации 0.9 ГПа, определяемое соотношением H3/E2; высокие значения H/E как показателя долговечности и износостойкости покрытий; отрицательный заряд поверхности при pH=7.

В качестве подложек для нанесения покрытий использовали следующие материалы:

1. Титан марок ВТ1-0 (ГОСТ 19807-91) в виде пластин размерами 20 мм Х 20 мм Х 5 мм и проволоки длиной 10 мм и 0.5 мм.
2. Внутрикостные дентальные винтовые титановые имплантаты 4.0 мм и длиной 10 мм (производитель ООО «Конмет», Москва).
3. ПТФЭ пластины марки МКТ10 (ГОСТ 10007-80Е), размерами 20 мм Х 20 мм Х 5 мм и с пористостью 36%, а так же ПТФЭ нить марки 5035 длиной 10 мм, 0.5 мм с пористостью 2-3% (производитель НПО «Экофлон», СПб).

Методика получения наноструктурированных МБНП. Для получения наноструктурированных МБНП применяли композиционные мишени составов TiC0.5+10%CaO+2%KMnO4, и ТiC0.5+Ca10(PO4)6(OH)2 синтезированные по технологии силового СВС-компактирования на базе опытно-промышленного участка самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Научно-учебного центра СВС МИСиС-ИСМАН. Для нанесения металлического (Ti) покрытия на ПТФЭ использовалась мишень из чистого титана.

Осаждение покрытий на подложки осуществляли с применением комбинированной установки вакуумного напыления на базе имплантора высокоэнергетических ионов «Сокол-50/20» в течение 60 минут путем магнетронного распыления композиционных мишеней в газовой смеси аргона с азотом, при парциальном давлении азота 14%. В процессе напыления давление в вакуумной камере и температура подложки составляли соответственно 0.2 Пa и 120-150оС. Толщина покрытия составляла 0.9-1.1 мкм.

Методы исследования in vitro с культурой эмбриональных фибробластов человека. Для решения вопроса о способности наноструктурированных МБНП влиять на интенсивность адгезии клеток, их распластывания и пролиферации на поверхности имплантатов использовали стандартную методику исследования на цитотоксичность (ГОСТ Р ИСО 10993.5-99), которая предусматривает проведение инкубации клеточной культуры кожно-мышечных фибробластов эмбрионов человека непосредственно в контакте с испытуемыми образцами.

Оценку морфологии и жизнеспособности клеток проводили на инвертированном микроскопе Axiovert 200 (Carl Zeiss, Германия) с использованием метода окрашивания клеток 0.0002% раствором акридинового оранжевого в фосфатном буфере.

Для исследования методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) была проведена процедура фиксации клеток на поверхности материалов. По истечении 72 часов с момента посева клеток образцы промывали 0.1 М фосфатно-солевым буфером (ФСБ), рН 7.4, после чего фиксировали в течение 2 часов 2.5% раствором глутарового альдегида в ФСБ. После удаления фиксирующего раствора образцы промывали ФСБ и проводили дегидратацию материала, после удаления этанола образцы помещали на 30 минут в гексаметилдисилазан, после чего высушивали на воздухе. Окончательное высушивание образцов осуществляли методом перехода через критическую точку на аппарате Hitachi CPD-1 (Critical Point Dryer). После чего их фиксировали на предметные столики и напыляли смесью золото-палладий, используя установку Eiko-IB3 (Ion coater) при следующем режиме: ионный ток – 6 мА, межэлектродное напряжение – 1.5 kV, что позволяло получать толщину слоя напыления около 25 нм. Изучение объектов проводили на аппарате CamScan S-2 (Cambridge Scanning) в режиме регистрации вторичных электронов при ускоряющем напряжении 20 kV. Захват и обработку видеоизображения на персональном компьютере реализовывали с использованием программно-аппаратного комплекса Microcapture 2.2 (системы для микроскопии и анализа).

Поскольку данное исследование раскрывает лишь «локальный» адгезионный потенциал испытуемых образцов, в работе были проведены экспериментальные исследования in vivo. Эти исследования проводились по двум разделам:

1. Эксперименты по изучению интеграционного потенциала титановых имплантатов с наноструктурированными МБНП и без таковых
1. на модели имплантации образцов титановой проволоки в бедренную кость крыс;
2. на модели экспериментально воспроизведенной частичной адентии у собак с имплантацией титановых дентальных имплантатов.
2. Эксперименты по изучению интеграционного потенциала образцов ПТФЭ с наноструктурированными МБНП и без таковых
1. на модели имплантации образцов ПТФЭ нити в бедренную кость крыс;
2. на модели краниопластики высокопористыми ПТФЭ пластинами.

Методы исследования интеграции образцов титановой проволоки с покрытиями в бедренную кость крыс. Эксперимент выполнен на 48 половозрелых крысах-самцах линии «Вистар», весом 200-250 г, по 4 животных на точку наблюдения. Животные были распределены на 3 группы:

Группа 1. Титановая проволока с покрытием Ti-Ca-Mn-K-C-O-N

Группа 2. Титановая проволока с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N

Группа 3. Титановая проволока без покрытия (контроль)

Методика экспериментальной операции. В условиях стерильной операционной после обработки операционного поля, под калипсоловым наркозом без предварительной примедикации (калипсол вводился внутрибрюшинно, при необходимости поддержания анестезии калипсол вводился внутримышечно; средняя доза калипсола 16,9±1,1мг/100г веса); произведен разрез кожи и подкожно-жировой клетчатки по передней поверхности левого бедра длинной 15 мм. Края раны мобилизованы, продольно рассечен мышечный слой и надкостница, отпрепарирована передняя поверхность бедренной кости в области диафиза. С помощью бормашины бором №1 произведен продольный пропил кортикальной пластины и губчатого вещества кости длинной 10 мм, шириной 0.5 мм, глубиной 0.5 мм. В полученный дефект костной ткани установлен стерильный имплантат, длинной 10 мм, 0.5 мм. Имплантат фиксирован к бедренной кости двумя лигатурами кетгут 4/0. Рана послойно ушита узловыми швами, полностью укрывая имплантат. Гемостаз произведен по ходу операции. Кожная рана ушита узловыми швами полигликолид 4/0.

Животных выводили из опытов в сроки 10, 20, 30 и 90 суток после оперативного вмешательства посредством внутрибрюшинного введения калипсола в летальной дозе (750 мг/кг массы тела экспериментального животного). Материал, подлежащий исследованию (бедренная кость), фиксировали в 10% нейтральном формалине 48 часов.

Выделенные и освобожденные от мягких тканей костные фрагменты подвергали декальцинации в 25% Трилоне Б. Имплантаты из титановой проволоки аккуратно удаляли после декальцинации. Тканевые образцы проводили через спирты возрастающих концентраций и заключали в парафин.

Срезы готовили с помощью ротационного микротома Microm HM 355S толщиной 6-7 микрон и окрашивали гематоксилином-эозином. Изучение гистопрепаратов и микрофотосъёмку производили в оптической цифровой системе Axioplan 2 imaging (Carl Zeiss, Германия).

Для верификации и объективизации данных гистоморфологического исследования использовали морфометрическую полуколичественную оценку состояния тканевых структур периимплантатной зоны по пятибалльной шкале, по ряду критериев: «масштабы» образования волокнистых структур по площади; уровень зрелости волокнистых структур (соотношение удельного веса преколлагеновых и коллагеновых фибрилл); наличие костных структур.

Методы исследования интеграции опытных образцов дентальных имплантатов с МБНП в нижнюю челюсть собак. Эксперимент выполнен на 2 беспородных собаках в возрасте 1.5 - 2 лет с массой тела 5000 и 7000 г.

Методика экспериментальной операции. Этап I. В условиях стерильной операционной после обработки операционного поля, под внутримышечным наркозом (Тиопентал натрий 2,5% - 4ml) без предварительной примедикации произвели удаление второго и третьего премоляра с двух сторон на нижней челюсти при помощи бормашины, элеватора и клювовидных щипцов. Произвели кюретаж лунок удаленных зубов. Гемостаз по ходу операции. На лунки наложены сближающие швы кетгутом 3/0.

Этап II. Установку имплантатов производили через 3 месяца после удаления зубов. В условиях стерильной операционной после обработки операционного поля, под внутримышечным наркозом (Тиопентал натрий 2,5% - 4ml) без предварительной примедикации произвели разрез слизистой по гребню альвеолярного отростка нижней челюсти слева в области ранее удаленных зубов. Отслоили слизисто-надкостничный лоскут с вестибулярной и язычной сторон на 5 мм. Специальными титановыми фрезами сформировали 4 ложа под имплантаты системы «Конмет». Произвели антисептическую обработку операционного поля 0.05% раствором хлоргексидина. Установили 4 имплантата системы «Конмет» 4.0 мм и длиной 10 мм без покрытия (слева) и с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N (справа). Установили заглушки на имплантаты. Слизисто-надкостничный лоскут уложили на место, рану ушили полигликолидом 4/0.

Назначили превентивную антибиотикотерапию: Медоцеф 0.5, 1 раз в день, внутримышечно, курсом 5 суток. Динамическое наблюдение. Швы сняты на 8-е сутки. После операции животных содержали преимущественно на мягкой пище, мясо давали исключительно бескостное. Послеоперационный период протекал без осложнений. Собак выводили из экспериментов через 4 месяца после II этапа экспериментальной операции (установки имплантатов) передозировкой Тиопентала натрия. Выделяли нижние челюсти, производили их скелетирование и рентгенологическое исследование. Далее тканевый материал фиксировали в течение 4 суток в 10% нейтральном формалине с ежесуточной сменой растворов. Производили СЭМ исследование зоны контакта имплантат – кость.

Методы исследования интеграции образцов ПТФЭ нити с покрытиями в бедренную кость крыс. Эксперимент выполнен на 48 половозрелых крысах-самцах линии «Вистар», весом 200-250 г, по 4 животных на точку наблюдения. Животные были распределены на 4 группы:

Группа 1. Нить из ПТФЭ с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N

Группа 2. Нить из ПТФЭ с покрытием Ti-Ca-Mn-K-C-O-N

Группа 3. Нить из ПТФЭ с покрытием Ti (контроль)

Группа 4. Нить из ПТФЭ без покрытия (контроль)

Методика экспериментальной операции. См. выше.

Животных выводили из опытов в сроки 15, 30 и 60 суток после оперативного вмешательства. Проводили гистоморфологическое исследование.

Методы исследования интеграции образцов ПТФЭ пластин с МБНП в теменную кость кроликов. Эксперимент выполнен на 6 кроликах-самцах породы Шиншилла, массой ~2500 г. Животные были распределены на 2 группы:

Группа 1. Пластины из ПТФЭ с покрытием Тi-Ca-P-C-O-N.

Группа 2. Пластины из ПТФЭ без покрытия.

Методика экспериментальной операции. В условиях стерильной операционной после обработки операционного поля, под внутримышечным наркозом (Тиопентал натрий 2,5% - 1.5ml) без предварительной примедикации через разрез кожного покрова с помощью фрезы №1 выпиливали и удаляли фрагмент теменной кости (наружную и внутреннюю кортикальные пластины) размерами 10 мм Х 10 мм. После гемостаза на костных краях дефектов 2-мя титановыми микровинтами сечением 2.0 мм и длиной 2.0 мм фиксировали пластины из высокопористого ПТФЭ с покрытием состава Ti-Ca-P-C-O-N (основная группа) и ПТФЭ пластины без покрытия (контроль).

Животных выводили из эксперимента передозировкой Тиопентала натрия в сроки 3 и 6 месяцев по 2 животного на срок в подопытной группе и по 1 – в группе контроля. Тканевый материал из области экспериментального воздействия: область дефекта с имплантатами и прилежащей костной тканью в пределах 5 мм (всего тканевый блок составлял порядка 20 мм) подвергали гистоморфологическому исследованию.

Результаты собственных исследований и их обсуждение

Результаты проведенных в настоящей работе исследований in vitro, при сопоставлении различных наноструктурированных МБНП (Ti-Ca-Mn-K-C-O-N и Ti-Ca-P-C-O-N), нанесенных на титановые пластины, а так же титановых пластин без покрытия, по эффектам адгезии и распластывания эмбриональных фибробластов человека на поверхности испытанных образцов свидетельствовали о том, что наноструктурированные МБНП значимо усиливают эти эффекты.

Такие же результаты были продемонстрированы в наших исследованиях in vitro в отношении ПТФЭ пластин с покрытиями. Особенностью этих экспериментов явилось, в отличие от предыдущего опыта, наличие группы полимерных образцов с покрытием Ti. У всех образцов ПТФЭ пластин с покрытиями обнаруживался выраженный эффект адгезии и распластывания культуральных клеток, в то время как у образцов без покрытия он не наблюдался.

В процессе СЭМ исследования с высоким постоянством отмечалось наличие в участках заселения поверхности образцов ПТФЭ с МБНП культуральными клетками «наплывов» гомогенного вещества, которое, по нашему мнению является экстрацеллюлярным матриксом. При этом последний не определялся на электронограммах титановых пластин даже в участках плотного адгезирования культуральных клеток. Вне тела клеток можно было видеть лишь многочисленные псевдоподии и отростки, но никак не «наплывы» биоматрикса.

Возможно, столь обильное образование экстрацеллюлярного матрикса связано с повышенной функциональной активностью клеток, оказавшихся в оптимальных для их жизнедеятельности условиях, чему могла определённо способствовать чрезвычайно развитая поверхность высокопористого ПТФЭ с наноструктурированным покрытием.

По первому разделу экспериментов in vivo в опытах на крысах были использованы 2 метода морфологического изучения области контакта имплантат – кость: метод СЭМ и гистоморфологический метод. Это обусловлено необходимостью верифицировать данные, полученные с помощью гистоморфологического метода, применение, которого, как известно, сопряжено с необходимостью извлечения металлического имплантата из костного блока до получения срезов. Естественно, применение этой методики таит в себе угрозу разрушения области контакта имплантат – кость, угрозу возникновения артефактов, и как следствие, ошибочных интерпретаций. Для повышения достоверности результатов экспериментального исследования применяли дополнительно метод СЭМ, который позволяет исследовать недекальцинированные тканевые блоки, содержащие имплантаты.

Результаты гистоморфологического исследования, СЭМ-исследования, а также проведенной непараметрической морфометрии (табл.1), свидетельствовали о том, что между характеристиками тканевых структур периимплантатной зоны и химическим составом поверхности титановых имплантатов существует прямая корреляция. Качество покрытия имплантата определяло его способность к интеграции, в том числе к остеоинтеграции. Наилучшие по признакам остеоинтеграции характеристики имплантатов были отмечены в опытах с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N (превалирование остеоинтеграции). Наихудшие показатели интеграции наблюдались в группах с покрытием Ti-Ca-Mn-K-C-O-N (фиброостеоинтеграция) и без МБНП (фиброинтеграция).

Таблица 1

Данные полуколичественного морфометрического метода оценки развития тканевых структур в периимплантатной зоне по данным СЭМ по пятибалльной шкале

Критерии оценки	10 суток				20 суток			30 суток
	Опытные группы
	I	II	III	I		II	III	I	II	III
Масштабы развития волокнистых структур	5	5	5	5		5	5	5	0	5
Уровень зрелости волокнистых структур	0	0	0	2		4	2	4	5	3
Наличие костных структур	0	0	0	0		2	1	1	5	0

Следует отметить, что на начальных этапах и до 30 суток различия в группах наблюдения по характеристикам периимплантатных тканей были незначительными, в этой зоне преобладали реактивные изменения на экспериментальное воздействие (пропил кости), сопровождавшиеся резорбтивными реакциями кости, воспалением, и образованием клеточноволокнистой соединительной ткани, отделяющей имплантат от костной ткани (рис. 1, 2). Лишь с увеличением сроков наблюдений до 90 суток отмечалось нарастание признаков остеоинтеграции в группах МБНП, однако наиболее чётко этот тип реакции определялся в образцах с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N.

Рис.1. Имплантат с покрытием Ti-Ca-P-С-O-N, 30 суток. Плотное спаяние кости с имплантатом на значительном протяжении. Х100.	Рис.2. Титановый имплантат без покрытия, 30 суток. Имплантат частично вмурован в кость. В области соединения видны волокнистые структуры. Х100.

Однако, признаки расхождения в характере реакций тканевых структур в периимплантатной зоне по группам наблюдений начинали проявляться уже, начиная с 20 суток наблюдений. Так, при сопоставлении морфологических картин в различных группах наблюдений оптимальные результаты с точки зрения интеграционного процесса были получены в опытах с имплантатами, имеющими покрытие состава Ti-Ca-P-С-O-N. В опытах с образцами этого типа наблюдалось более быстрое созревание соединительнотканной прослойки, отделяющей имплантат от материнской кости. В отличие от других групп наблюдений, в этом случае отсутствовали проявления некроза, а так же резорбтивные изменения в прилежащей к имплантату костной ткани, а так же отмечалось развитие интенсивного остеогенеза в области имплантации.

С учётом полученных данных, был спланирован ещё один эксперимент, направленный на решение вопроса о практическом значении выявленных в предыдущем эксперименте (на крысах) данных об оптимизирующем интеграцию имплантатов в кость эффекте МБНП Ti-Ca-P-С-O-N.

Результаты экспериментального исследования с установкой винтовых дентальных имплантатов с покрытием и без такового на нижней челюсти собак по данным СЭМ-исследования, через 4 месяца после установки имплантатов, у образцов без покрытия развивалась картина фиброостеоинтеграции, а у имплантатов с МБНП состава Ti-Ca-P-С-O-N - картина остеоинтеграции (рис. 3, 4). Результаты этого эксперимента убедительно свидетельствуют о том, что МБНП состава Ti-Ca-P-С-O-N следует признать перспективным для применения в дентальной имплантологии.

Рис.3. Имплантат с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N. В области интерфейса, в непосредственном контакте с имплантатом, располагается костная ткань губчатого строения с примесями волокнистых соединительнотканных структур. Картина остеоинтеграции. Х87	Рис.4. Имплантат без покрытия (контроль). В области интерфейса определяется слой волокнистой ткани, отделяющий имплантат от костной ткани. Картина фиброостеоинтеграции. Х87

Второй раздел экспериментальных исследований был посвящён изучению интеграционного потенциала ПТФЭ с МБНП и без покрытия.

Сама идея обратиться к изучению этого материала в контексте задач настоящего исследования родилась в стремлении найти новую модель для получения информации о структурных проявлениях взаимодействий металлического имплантата с костной тканью в области их контакта.

Актуален поиск адекватных методологических подходов к изучению тонких локальных механизмов интеграционного процесса при имплантации титановых имплантатов в кость из-за невозможности изготовления в случае использования рутинных гистологических методов тонких и ультратонких срезов, что затрудняет изучение состояния тканевых структур периимплантатной зоны. Исходная идея состояла в создании «муляжа» (имитации) металлического имплантата состоящего из доступной резке на микротоме основы, в качестве которой был использован ПТФЭ, и нанопокрытия из подлежащего изучению материала (например, титана или керамики). В настоящем исследовании была изучена возможность использования ПТФЭ с наноструктурированным покрытием в качестве пластин для остеосинтеза (краниопластики).

Известно, что ПТФЭ представляет собой химически и биологически абсолютно инертный материал. По своим механическим свойствам изделия из него характеризуются как «мягкие» и комфортные для контакта с тканевыми субстратами. Изделия из ПТФЭ отличают высокая прочность и удовлетворительные трибологические показатели. Материалу присущи полное отсутствие токсичности, и соответственно, высокая биосовместимость. Всё это обусловило довольно широкое использование изделий из ПТФЭ в медицине, в том числе в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии (В.М. Седов и соавт., 1999; И. В. Михайлов, 2001).

В тоже время из-за гидрофобности и соответственно из-за его неспособности к остеоинтеграции ПТФЭ не нашёл широкого применения в костнопластической хирургии (например, для закрытия костных дефектов). Использование ПТФЭ с наноструктурированным МБНП открывает перспективу успешного применения указанного материала в челюстно-лицевой хирургии для вышеуказанной цели. Немаловажным является и то, что производство изделий медицинского назначения из ПТФЭ уже налажено в нашей стране фирмой «Экофлон» (СПб), включено в реестр разрешённых к клиническому применению и уже достаточно широко используется в стоматологии.

Эксперименты с имплантатами на основе ПТФЭ, как уже указывалось выше, состояли из 2 серий опытов.

Результаты первой серии опытов на крысах, впрочем, как и серия опытов на кроликах, убедительно показали, что образцы из ПТФЭ с наноструктурированными покрытиями действительно могут с успехом использоваться для изучения тканевых структур периимплантатной зоны. Более того, эта модель позволит оценить корреляцию химического состава поверхности имплантата с характером протекающих на ней (на поверхности) интеграционных процессов.

В проведенных экспериментах было подтверждено априорное предположение, что сам по себе ПТФЭ без покрытия в том виде, как он использовался в настоящей работе, не позволяет достичь высокого уровня интеграции имплантатов в костную ткань.

Было показано, что по выраженности остеоинтеграции, по отсутствию воспалительной реакции и отсутствию повреждающего воздействия на костную ткань оптимальным покрытием является наноструктурированное МБНП Ti-Ca-P-C-O-N (рис. 5). Оно сообщает имплантатам из ПТФЭ высокий остеоинтеграционный потенциал, который у этого полимера без покрытия отсутствует (рис. 6).

Рис.5. Имплантат с покрытием Ti-Ca-P-С-O-N, 30 суток. Костная ткань плотно прилегает к поверхности имплантата. Х1000	Рис.6. ПТФЭ имплантат без покрытия, 30 суток. Непосредственно к имплантату прилежит тонкий клеточноволокнистый тяж. Х400.

В порядке обсуждения условий эксперимента во второй группе опытов второй экспериментальной серии следует указать на то, что у подопытных кроликов воспроизводили не просто обширные дефекты свода черепа, а критические, которые обычно самостоятельно полностью не закрываются в результате «физиологической» регенерации костной тканью.

В экспериментах с высокопористыми пластинами из ПТФЭ с наноструктурированным МБНП состава Ti-Ca-P-С-O-N, было показано, что в таком виде имплантаты на основе ПТФЭ обладают высоким интеграционным потенциалом (рис. 7). Как правило, в поры имплантата происходило активное врастание новообразованного костного вещества, а так же тяжей клеточноволокнистой соединительной ткани (рис. 8). Отмечалась интенсивная регенерация костной ткани в краях дефекта, в результате чего к 6 месяцам эксперимента произошло значимое уменьшение размеров костного дефекта.

При использовании в эксперименте ПТФЭ пластин без покрытия, описанные выше эффекты, не наблюдались, отсутствовало прорастание костных структур в поры имплантата, а соединительная ткань крайне индифферентного вида не столь активно проникала в его поры.

Рис. 7. Пластина из ПТФЭ с покрытием Ti-Ca-P-С-O-N, 6 мес. В результате центростремительного продвижения костного регенерата, его размеры в плоскости гистопрепарата сократились. В дефекте под имплантатом определяется пласт фиброзной соединительной ткани. Х25.	Рис. 8. Пластина из ПТФЭ с покрытием Ti-Ca-P-С-O-N, 6 мес. Новообразованная костная ткань в крае дефекта, в порах ПТФЭ пластины видны отдельные костные вкрапления и соединительнотканные тяжи. Х100.

Полученные данные могут служить основательной предпосылкой для разработки и внедрения в клиническую практику нового типа имплантатов для костно-пластической черепно-челюстно-лицевой хирургии на основе ПТФЭ с наноструктурированными МБНП.

Выводы

1. В опытах in vitro с культурой кожно-мышечных фибробластов человека установлено, что наноструктурированные многофункциональные биосовместимые нерезорбируемые покрытия с химическим составом Ti-Ca-P-O-N и Ti-Ca-Mn-K-C-O-N сообщают образцам титановых пластин повышенную, по сравнению с образцами без покрытия, способность к адгезии и распластыванию эмбриональных фибробластов человека. Интенсивная адгезия и распластывание этих клеток наблюдались так же на поверхности образцов нитей и пластин из политетрафторэтилена с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями. На поверхности образцов из политетрафторэтилена без покрытий адгезия клеток, практически, отсутствовала.

2. Как показали результаты экспериментально-морфологического исследования, проведенного на крысах, образцы титановой проволоки с наноструктурированными покрытиями, имплантированные в бедренную кость подопытных животных, активно интегрируют в костную ткань, причём характер интеграции коррелировал с химическим составом покрытий. Оптимальным образом этот процесс протекал по типу остеоинтеграции и фиброостеоинтеграции при составе покрытия Ti-Ca-P-С-O-N. Наихудший эффект по показателям интеграционного потенциала был получен в опытах с образцами проволоки с покрытиями Ti-Ca-Mn-K-C-O-N и с образцами без покрытия. В этих группах опыта наблюдался эффект фиброинтеграции имплантатов.

3. В опытах на собаках с имплантацией в участки экспериментально воспроизведенной адентии нижней челюсти дентальных винтовых имплантатов фирмы «Конмет» с покрытием состава Ti-Ca-P-С-O-N и без покрытия (контроль), по данным СЭМ, в периимплантатной зоне через 4 месяца у имплантатов с наноструктурированным МБНП наблюдалось развитие процесса остеоинтеграции, а у имплантатов контрольной группы - фиброинтеграции.

4. В опытах на крысах с политетрафторэтиленовыми нитями с покрытиями, и без таковых имплантированными в бедренную кость, было показано, что покрытия состава Ti-Ca-P-C-O-N и Ti сообщают имплантатам из политетрафторэтилена высокий остеоинтеграционный потенциал, которым сам полимер не обладает.

5. В опытах на кроликах, на основании результатов гистоморфологического исследования, установлено, что при реконструкции высокопористыми политетрафторэтиленовыми пластинами с покрытием Ti-Ca-P-C-O-N критических дефектов свода черепа кроликов происходит спаяние имплантатов с костной тканью краёв костных дефектов за счет прорастания новообразованных костных структур в поры политетрафторэтилена. В сроки 6 месяцев эксперимента у кроликов отмечалось значительное уменьшение размеров дефекта, что явилось результатом активной регенерации костной ткани в области его краёв. При краниопластике политетрафторэтиленовыми пластинами без покрытия между имплантатом и костью образовывалась фиброзная прослойка, что соответствовало развитию процесса фиброинтеграции.

Практические рекомендации

1. Рекомендуется дальнейшая разработка на основе данных, полученных в настоящем исследовании, в рамках программы НИР (г/к 02.513.11.3179 и 02.523.11.3007) по наноструктурированным многофункциональным биосовместимым нерезорбируемым покрытиям Ti-Ca-P-C-O-N имплантатов и имплантационных материалов с целью повышения их эффективности и их внедрения в клиническую практику хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

2. Рекомендуется внедрение в клиническую практику хирургической стоматологии дентальных имплантатов с наноструктурированным многофункциональным биосовместимым нерезорбируемым покрытием состава Ti-Ca-P-C-O-N.

3. Рекомендуется внедрение в клиническую практику титановых конструкций с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями для черепно-челюстно-лицевого остеосинтеза (реконструктивные пластины, мини- и микропластины, стержни, спицы, винты и прочие фиксаторы).

4. Рекомендуется использование нового гибридного имплантационного материала на основе политетрафторэтилена с наноструктурированными многофункциональными биосовместимыми нерезорбируемыми покрытиями для устранения обширных дефектов плоских костей черепа.

5. Рекомендуется применение имплантата на основе политетрафторэтилена с металлическими нанопокрытиями для исследования морфофункциональных характеристик тканевого субстрата в области контакта поверхности внутрикостного имплантата с тканевыми структурами периимплантатной зоны посредством рутинных гистологических методов без извлечения имплантата из окружающих тканей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Григорьян А.С., Топоркова А.К. Опыт исследования процессов интеграции имплантационных материалов в костной ткани // Всероссийское совещание «Биокерамика в медицине».- 2006.- С.88-89
2. Григорьян А.С., Филонов М.Р., Штанский Д.В., Селезнева И.И., Топоркова А.К. Использование полимера с металлическими и керамическими покрытиями в качестве основы для гибридных имплантатов // Материалы симпозиума "Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии".-2007.- С.61-63
3. Grygoryan A.S., Filonov M.R., Shtansky D.V., Selezneva I.I., Toporkova A.K. Use of metal-coated and ceramic-coated polymers as scaffolds for composite implants // Proceedings of the british-russian workshop "Stem cells: policy, research and innovations".-2007.-С.16-17
4. Кулаков А.А., Григорьян А.С., Филонов М.Р., Штанский Д.В., Топоркова А.К. Влияние различных по химическому составу покрытий интраоссальных титановых имплантатов на их интеграцию в кость // Российский вестник дентальной имплантологии.-2007. - №3/4.-С.10-15
5. Григорьян А.С., Филонов М.Р., Штанский Д.В., Селезнева И.И., Топоркова А.К. Новый тип имплантационного материала на основе политетрафторэтилена с металлическими и керамическими покрытиями // Стоматология.- 2007.-спецвыпуск.- С.20-26
6. Григорьян А.С., Филонов М.Р., Кулаков А.А., Штанский Д.В., Левашов Е.А., Селезнева И.И., Топоркова А.К. Способ получения имплантационного материала на основе пористого политетрафторэтилена и материал, полученный этим способом. // Патент на изобретение №2325191 от 16.02.2007
7. Григорьян А.С., Топоркова А.К. Проблемы интеграции имплантатов в костную ткань. М.: Техносфера.-2007.-128 с.
8. Григоpьян А.С., Филонов М.P., Топоркова А.К. Морфологическое исследование механизмов остеоинтеграции внутpиоссальных титановых имплантатов // Архив патологии.-2008.-№3.-С.36-37
9. Кулаков А.А., Григорьян А.С., Филонов М.Р., Штанский Д.В. Топоркова А.К. Экспериментально-морфологическое исследование интеграции гибридного имплантационного материала в костную ткань // Стоматология.-№2.-2009.-C.8-12