Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 10, №3, 2009

Химический состав различных отделов длинных трубчатых костей при имплантации в них биогенного гидроксилапатита

Авторы: В.И. Лузин, С.В. Петросянц, Ю.С. Пляскова, В.Н. Прочан, И.Г. Новоскольцева - Государственный медицинский университет, Луганск, Украина

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

В работе установлены закономерности реакции различных отделов большеберцовых костей (эпифизов, диафизов, области нанесения дефекта) при нанесении как незаполненного сквозного дырчатого дефекта в проксимальной части диафизов, так и при имплантации в них биогенного гидроксилапатитного материала ОК-015.

В роботі встановлено закономірності реакції різних відділів великогомілкових кісток (епіфізи, діафізи) при нанесенні як незаповненого наскрізного дірчастого дефекту в проксимальній частині діафізів, так і при імплантації до них біогенного гідроксилапатитного матеріалу ОК-015.

The work represents features of reaction of different portions of long bones (epiphyser, diaphyser and defect zones) under conditions of both pure and filled defects in the area of proximal portion of epiphysis.

Ключевые слова

длинные трубчатые кости, костный минерал, гидроксилапатит, химический состав

довгі трубчасті кістки, кістковий мінерал, гідроксилапатит, хімічний склад.

long bones, bone mineral, hydroxyapatite, chemical content

Кости скелета или костные органы устроены таким образом, что в зависимости от своей формы могут выполнять определенные функции и противостоять максимальной нагрузке при оптимальном минимуме строительного материала [1]. В состав костного органа, помимо костной ткани, формирующей губчатое и компактное костное вещество, входят также хрящевая ткань, надкостница, сосуды, нервы, а также костный мозг. При этом наиболее сложное строение имеют длинные трубчатые кости, в которых выделяют эпифизы, метафизы и диафиз.

В длинных трубчатых костях достаточно часто встречаются различные патологические процессы (костные кисты, опухоли, опухолеподобные состояния и др.), которые часто сопровождаются патологическими переломами, что в 75% случаев является первым симптомом болезни [2]. Естественно, в такой ситуации требуется своевременное хирургическое вмешательство и замещение образовавшегося в результате него костного дефекта пластическим материалом. Процессы перестройки имплантированного материала изучены достаточно подробно, но сведения о реакции костного органа в целом, а также различных его отделов в этих условиях практически не исследованы. Цель данного исследования – изучить в эксперименте на белых крысах изменения химического состава различных отделов большеберцовой кости (эпифизов, диафиза) при имплантации в проксимальный отдел диафиза биогенного материала на основе гидроксилапатита ОК-015.

Работа является фрагментом межкафедральной НИР Луганского государственного медицинского университета “Особенности роста, строения и регенерации трубчатых костей при пластике костных дефектов материалами на основе гидроксилапатита” (государственный регистрационный номер - 0103U006651).

Материал и методы

Исследования проведены на 105 белых крысах-самцах с исходной массой тела 135-145 г, распределенных на три группы: 1-ая группа - интактные животные, 2-ая группа – животные, которым с использованием эфирного масочного наркоза были сформированы сквозные костные дефекты на границе проксимального метафиза и диафиза большеберцовой кости (ББК) диаметром 2,2 мм [3]. Поскольку передне-задний размер ББК в этой области составляет у крыс данного возраста в среднем 3,5-3,6 мм, целостность костного органа и функциональная нагрузка на него сохранялась. В 3-ей группе в нанесенный дефект имплантировали блоки биогенного гидроксиапатита диаметром 2,2 мм, содержащего стеклофазу (материал ОК015). Все манипуляции на животных выполняли в соответствии с правилами европейской конвенции защиты позвоночных животных, использующихся в экспериментальных и других научных целях [4]. По истечении сроков эксперимента (от 7 до 180 дней) выделяли большеберцовые кости, разделяли область, соответствующую нанесенному дефекту, диафиз и эпифизы и исследовали их весовым методом [5]. Полученные цифровые данные обрабатывали методами вариационной статистики с использованием пакета Statistica 5.11 for Windows.

Результаты и обсуждение

У интактных животных в период с 7 по 180 дни наблюдения содержание воды в проксимальной метадиафизарной зоне большеберцовой кости (соответствующей зоне нанесения дефекта) уменьшалось с 31,69±0,59% до 26,25±0,81% (табл. 1). При этом содержание органических веществ в метадиафизарной зоне также уменьшалось за период наблюдения с 27,09±0,31% до 24,080,85%, а доля минеральных веществ возрастала от 41,61±0,72% до 49,68±0,38%. Такие изменения соответствуют возрастной динамике изменений минерального состава костного вещества у крыс репродуктивного возраста, описанной в литературе [6].

При нанесении сквозного дефекта диаметром 2,2 мм в области проксимального метадиафиза большеберцовой кости содержание воды в формирующемся регенерате к 7 дню эксперимента превосходило контрольные значения на 31,85%, к 15 дню – на 13,62% и к 30 дню – на 9,26% (р<0,05 во всех случаях). Удельное содержание органического компонента в области формирующегося регенерата к 7 дню наблюдения было меньше аналогичных показателей контрольной группы на 7,01%, после чего начинало возрастать, и к 15 и 30 дням превосходило показатели интактных животных на 6,70% и на 9,82% соответственно (р<0,05 во всех случаях). Доля минеральных веществ в формирующемся костном регенерате в период с 7 по 30 дни эксперимента была меньше, чем аналогичные показатели у интакных животных соответственно на 19,88%, 14,03% и 11,45% (р<0,05 во всех случаях).

В более поздние сроки наблюдения достоверные отклонения содержания воды, органических и минеральных веществ, в сравнении с показателями группы интактных животных не наблюдались. Такие изменения соответствуют описанной в литературе динамике изменений минерального состава костного вещества формирующегося регенерата [6]. При заполнении дефекта большеберцовой кости материалом ОК-015 содержание воды в костно-керамическом регенерате в период с 7 по 60 дни наблюдения было ниже, чем в группе с незаполненным дефектом, на 14,35% (р<0,05), 25,90% (р<0,05), 10,72% и 6,31% соответственно, что объясняется заполнением объема дефекта керамическим блоком. В дальнейшем достоверные отклонения не наблюдались.

Содержание органических веществ в регенерате к 15, 30 и 90 дням было больше показателей группы интактных животных соответственно на 10,27% (р<0,05), 6,14% и 8,29% (р<0,05). В дальнейшем достоверные отклонения не наблюдались. При сравнении с показателями группы с незаполненным дефектом, содержание органических веществ было больше аналогичных показателей лишь к 60 дню – на 12,42% (р<0,05). Преобладание органического компонента в группе ОК015 в сравнении с группами интактных животных и с незаполненным дефектом, вероятно, объясняется наличием в имплантате стеклофазы, в результате резорбции которой, высвобождаются ионы кремния, которые позитивно влияют на процессы костеобразования. Содержание минеральных веществ в регенерате группы ОК015 было больше показателей группы с незаполненным дефектом в период с 7 по 30 дни – соответственно на 16,88%, 20,86% и 10,82% (р<0,05 во всех случаях), что объяснимо наличием керамического блока в области дефекта (то есть условиями эксперимента).

Наряду с изменениями химического состава регенерата изменялся состав всех остальных отделов большеберцовой кости (табл. 2-3). У интактных животных в ходе наблюдения, в период с 7 по 180 дни, содержание воды в эпифизах большеберцовой кости (представленных преимущественно губчатым костным веществом) снизилось от 38,38±0,93% до 31,25±0,81%. При этом удельное содержание органических веществ также понизилось с 29,14+0,53% до 24,88±0,87%, а доля минерального компонента возросла с 32,48±0,61% до 43,88±0,71%. За тот же период времени удельное содержание воды в диафизах большеберцовых костей интактных животных снизилось с 25,00±0,40% до 21,25±0,90%, а содержание органических веществ – с 25,05±0,55% до 23,27±0,52%; доля минерального компонента увеличилась с 49,95±0,88% до 55,48%.

Выявленные изменения совпадают с описанной динамикой химического состава костного вещества животных репродуктивного возраста [7]. Различия же в процентном содержании воды, органических и неорганических веществ в эпифизах и диафизах большеберцовых костей обусловлены тем, что эпифизы образованы преимущественно губчатым костным веществом, а диафизы – пластинчатым [1].

В том случае, когда в на границе проксимального метафиза и диафиза большеберцовых костей наносился сквозной дырчатый дефект диаметром 2,2 мм, содержание воды в эпифизах превосходило контрольные показатели в период с 7 по 60 дни эксперимента соответственно на 9,70%, 5,26%, 3,11% и 4,46% (р<0,05) соответственно. В компактном веществе диафизов доля воды также превосходила контрольные показатели с 7 по 60 дни эксперимента, но с большей амплитудой - соответственно на 16,04%, 11,26%, 14,29% и 18,08% (р<0,05 во всех случаях).

Содержание органического компонента в эпифизах большеберцовых костей данной группы к 7 дню эксперимента было на 7,04% (р<0,05) ниже, чем в группе интактных животных, к 15 дню возрастало на 5,22% (р<0,05), после чего достоверные отклонения не определялись. Следует отметить, что в поздние сроки эксперимента (90 и 180 дней) содержание органических веществ в эпифизах малодостоверно превосходило показатели интактных животных на 4,03-4,29%.

В диафизах большеберцовых костей животных группы с незаполненным дефектом содержание органических веществ в ходе всего периода наблюдения было меньше аналогичных контрольных показателей на 1,98-5,89%. При этом достоверные отклонения наблюдались лишь на 60 день, когда доля органического компонента в диафизах была меньше на 5,89% (р<0,05).

Содержание минеральных веществ в эпифизах в период с 7 по 30 дни эксперимента было меньше аналогичных значений группы интактных животных соответственно на 5,14%, 10,23% (р<0,05) и 6,50% (р<0,05). В диафизах той же группы доля минерального компонента был меньше, чем в контроле в период с 7 по 60 дни эксперимента – на 5,24%, 4,38%, 5,76% и 4,42% (р<0,05 во всех случаях).

В период с 90 по 180 дни достоверные отклонения содержания воды, органических и минеральных веществ в эпифизах и диафизах большеберцовых костей в сравнении с интактными животными не определялись.

При имплантации в область дефекта гидроксиапатитного материала ОК015 (3-я группа) содержание воды в эпифизах большеберцовых костей достоверно не изменялось, а в диафизах было меньше аналогичных показателей группы без имплантации к 15 и 60 дням – соответственно на 18,32% (р<0,05) и 12,80% (р<0,05).

Доля органических веществ в эпифизах большеберцовой кости группы ОК понижалась до 30 дня наблюдения, когда она была на 8,09% (р<0,05) меньше контрольных значений группы без имплантации, а к 60 дню уже превосходила их на 8,76% (р<0,05). В диафизах большеберцовых костей доля органического компонента превосходила показатели группы без имплантации к 7 и 15 дням – на 7,86% (р<0,05) и 10,46% соответственно.

Исследование содержание минерального компонента в эпифизах большеберцовых костей животных группы ОК к 15 и 30 дням эксперимента превосходили аналогичные показатели 2-й группы на 10,97% (р<0,05) и 7,49% (р<0,05) соответственно. В диафизах группы ОК доля минеральных веществ к 7 дню наблюдения была меньше, чем в группе без имплантации на 4,64% (р<0,05), что можно рассматривать как следствие ускорения процессов перестройки в компактном костном веществе диафизов группы ОК в сравнении с 2-й группой. В дальнейшем содержание минеральных веществ превосходило показатели группы с незаполненным дефектом к 15 и 60 дням – на 4,97% (р<0,05) и 5,90% соответственно.

Выводы

Таким образом, нанесение незаполненного дефекта на границе проксимального метафиза и диафиза большеберцовых костей сопровождается увеличением содержания воды, снижением содержания органического и минерального компонента в костном веществе как эпифизов, так и диафизов в период с 7 по 60 дни наблюдения. Различная выраженность отклонений объясняется, по-видимому, тем, что эпифизы образованы преимущественно губчатым костным веществом, а диафизы – компактным.

Имплантация гидроксиапатитного материала ОК015 в метадиафизарный дефект в сравнении с показателями группы с незаполненным дефектом для губчатого костного вещества эпифизов характеризуется уменьшением доли органического компонента в период до 30 дня наблюдения и увеличением ее же к 60 дню. При этом доля минерального компонента превосходит контрольные показатели в период до 30 дня эксперимента. В аналогичной ситуации в компактном веществе диафизов определяется снижение содержания воды к 15 и 60 дням наблюдения, увеличение содержания органических веществ к 7 и 15 дням, наряду с уменьшением его к 30 дню. Доля минерального компонента в компактном веществе диафизов в этих условиях уменьшается к 7 дню наблюдения и превосходит показатели группы без имплантации к 15 и 60 дням наблюдения.

Вероятно, это связано с тем, что при имплантации в область дефекта гидроксиапатиного материла ОК015, процессы репаративной регенерации протекают интенсивнее, чем в условиях незаполненного дефекта. Не следует исключать и тот факт, что диафиз находит ближе к зоне нанесенного дефекта, нежели эпифизы. Различия в направленности отклонений между костным веществом эпифизов и диафизов можно объяснить тем, что губчатое вещество эпифизов более динамично реагирует на условия эксперимента.

Список литературы

Ковешников В.Г., Абакаров М.Х., Лузин В.И. Скелетные ткани. – Луганск: Изд.-во ЛГМУ, 2000. – 154 с., илл.
Ревелл П.А. Патология кости: Пер. с англ.- М.: Медицина, 1993.- 368 с.
Лузин В.И., Ивченко Д.В., Панкратьев А.А., Скоробогатов А.Н., Самойленко А.А. Методика моделирования костного дефекта у лабораторных животных // Український медичний альманах. – 2005. – Том 8, №2 (додаток). – С. 162.
European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purpose: Council of Europe 18.03.1986. - Strasbourg, 1986. - 52 p.
Новиков Ю.В., Аксюк А.В., Ленточников А.М. Применение спектрографии для определения минерального состава костной ткани при гигиенических исследованиях // Гигиена и санитария. - 1969. - N6. - С.72-76.
Ивченко В.К., Лузин В.И., Ивченко Д.В., Скоробогатов А.Н., Лубенец А.А. Особенности химического состава костного регенерата в условиях применения «Остеина» // Проблеми остеології. – 2006. – Том 9 (додаток). – С.48.
Лузин В.И., Ивченко В.К., Ивченко Д.В., Панкратьев А.А., Лубенец А.А. Особенности минерализации скелета белых крыс при нанесении метадиафизарных дефектов большеберцовых костей // Травма. – 2006. – Том 7, №3. – С.399-401.