Комбинированные титановые эндопротезы с наноструктурированной поверхностью в комплексной реабилитации пациентов с дефектами нижней челюсти тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 14.01.14, доктор наук Шайхалиев Астемир Икрамович

• Шайхалиев Астемир Икрамович
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Шайхалиев Астемир Икрамович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Трансплантация костной ткани для замещения дефектов нижней челюсти, опыт отечественных и зарубежных клиницистов

1.2. Различные металлоконструкции, применяемые в челюстно-лицевой хирургии для устранения дефектов челюсти

1.3 Эндопротезирование при лечении патологии височно-нижнечелюстного сустава

1.4 Применение сетчатых материалов из титана в челюстно-лицевой хирургии

1.5 Механизм взаимодействия титановых конструкций с тканями организма человека

1.6 Современные технологии формирования нанопокрытий на титановых эндопротезах, методы получения покрытий

1.7 Резюме

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Формирование шероховатости на поверхностях титановых образцов

2.1.1 Формирование на титановых образцах серийного производства покрытий диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения

2.1.2 Формирование полированной поверхности и исследование профиля её модификации

2.1.3 Формирование шероховатости на титановых образцах методом пескоструйной обработки

2.1.4 Формирование шероховатости химическим методом травления титановых образцов

2.1.5 Формирование шероховатости покрытий на титановых поверхностях электрохимическим методом травления

2.2 Металлографические исследования морфологии поверхности титановых конструкций

2.2.1 Световая оптическая микроскопия (СОМ)

2.2.2 Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)

2.2.3 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

2.3 Изучение биологических свойств титановых образцов

2.3.1 Методы исследования титановых дисков in vitro, с использованием клеточной культуры кожных фибробластов человека

2.3.2 Методика исследования титановых дисков in vivo, на экспериментальных животных

2.3.3 Методика исследования сетчатых титановых конструкций на экспериментальных животных

2.4 Общая характеристика и методы клинико-лабораторного обследования больных с дефектами нижней челюсти

2.4.1 Общая характеристика больных

2.4.2 Клинические методы обследования

2.4.3 Лабораторные методы исследования

2.4.4 Рентгенологические методы исследования

2.4.5 Метод индивидуального 3Э-моделирования эндопротезов

2.4.6 Предоперационная подготовка хирургических и позиционных стерелитографических шаблонов

2.4.7 Электромиография (ЭМГ), как метод оценки функционального состояния жевательных мышц при эндопротезировании ВНЧС

2.4.8 Математическое моделирование влияния циклических нагрузок на эндопротез ВНЧС, состоящий из мыщелкового отростка из титана и суставной впадины из хирулена

2.4.9 Методы статистического анализа

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ...85 3.1 Результаты металлографических исследований титановых конструкций,

покрытых слоем диоксида титана структуры анатаз

3.1.1 Результаты нанесения диоксида титана TiO2 структуры анатаз, на титановые конструкции методом атомно-слоевого осаждения

3.1.2 Результаты металлографических исследований титановых образцов после пескоструйной обработки с последующим нанесением диоксида

титана методом атомно-слоевого осаждения

3.1.3 Результаты металлографических исследований титановых образцов после химического травления с последующим нанесением покрытия диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения

3.1.4 Результаты металлографических исследований титановых образцов после электрохимической обработки с последующим нанесением покрытия диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения

3.1.5 Результаты исследования модификации поверхности на титановых полированных конструкциях с последующим нанесением диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения

3.1.6 Анализ результатов металлографических исследований титановых конструкциий после воздействия различными физическими и химическими факторами

3.2 Результаты исследования биологических свойств поверхности титановых дисков после нанесения диоксида титана, in vitro

3.2.1 Результаты исследования свойств фибробластов кожи человека на поверхности титановых образцов различной шероховатости с применением сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

3.2.2 Результаты исследования влияния модифицированной поверхности титановых дисков на жизнеспособность фибробластов кожи человека

3.3 Результаты исследования биологических свойств титановых дисков

после нанесения диоксида титана структуры анатаз, in vivo

3.3.1 Результаты исследования биологических свойств титановых конструкций с полированной поверхностью с покрытием диоксида титана и без покрытия,

in vivo

3.3.2 Результаты исследования особенностей фиброостеоинтеграции на поверхности титановых конструкций после пескоструирования с покрытием диоксида титана и без покрытия, in vivo

3.3.3 Результаты исследования особенностей фиброостеоинтеграции на поверхности титановых конструкций после химического травления с покрытием диоксида титана и без его нанесения, in vivo

3.3.4 Результаты исследования особенностей фиброостеоинтеграции на титановых конструкциях после электрохимического травления

поверхности с покрытием и без покрытия диоксидом титана, in vivo

3.3.5 Результаты исследования биологических свойств на поверхности титановых конструкций серийного производства с покрытием диоксида титана структуры анатаз и без его нанесения, in vivo

3.3.6 Анализ фиброостеоинтегративных процессов на поверхности

титановых дисков с различной модификацией в эксперименте in vivo

3.3.7 Результаты исследования биологических свойств титановой сетки на экспериментальных животных

3.3.8 Резюме

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ КЛИНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Эндопротезирование больных с включёнными дефектами нижней

челюсти

4.1.1 Клиническая характеристика больных с включёнными дефектами тела нижней челюсти

4.1.2 Хирургическое лечение пациентов с применением эндопротеза тела нижней челюсти в основной группе и в группе сравнения

4.1.3 Анализ результатов лечения пациентов с включёнными дефектами нижней челюсти (первая группа)

4.1.4 Сравнительная оценка качества жизни (КЖ) пациентов в пред- и послеоперационном периодах по системе OHIP-14

4.1.5 Резюме

4.2 Хирургическое лечение пациентов с дефектами и деформациями тела, угла

и ветви нижней челюсти

4.2.1 Клиническая характеристика больных второй группы

4.2.2 Способы замещения дефектов нижней челюсти

4.2.3 Хирургическое лечение пациентов с дефектами и деформациями ветви,

угла и тела нижней челюсти

4.2.4 Анализ результатов лечения пациентов с дефектами и деформациями ветви, угла и тела нижней челюсти (вторая группа)

4.2.5 Сравнительная оценка качества жизни пациентов по системе ОН1Р-14

4.2.6 Резюме

4.3 Хирургическое лечение пациентов с дефектами и деформациями височно-нижнечелюстного сустава

4.3.1 Клиническая характеристика больных с дефектами ВНЧС

4.3.2 Функциональные и биомеханические показания к применению эндопротезов ВНЧС в клинической практике

4.3.3 Хирургическое лечение пациентов с дефектами

ВНЧС (группа сравнения)

4.3.4 Хирургическое лечение с применением полного двухполюсного эндопротеза ВНЧС с антидислокационным элементом

4.3.5 Сравнительная оценка качества жизни (КЖ) пациентов в

пред- и послеоперационном периодах по системе OHIP-14

4.3.6 Анализ результатов лечения пациентов с дефектами

ВНЧС (третья группа)

4.3.7. Резюме

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комбинированные титановые эндопротезы с наноструктурированной поверхностью в комплексной реабилитации пациентов с дефектами нижней челюсти»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

Характерной чертой нового тысячелетия является увеличение продолжительности жизни человека и улучшение ее качества. В связи с этим повышаются требования к результатам медицинских реабилитационных мероприятий, проводимых в отношении пациентов, хирургическое лечение которых сопровождается образованием значительных по протяжённости дефектов костной ткани. Как известно, нижняя челюсть, являясь подвижной костью лицевого скелета, играет значительную роль в обеспечении нормального функционирования зубочелюстной системы. Соответственно, планируя восстановительное лечение пациентов в случаях отсутствия опорно-мышечного комплекса, недостаточно ограничиваться возмещением дефекта.

В первую очередь необходимо создать условия, при которых нижняя челюсть сможет полноценно воспринимать комплекс механических и функциональных нагрузок.

Традиционно с этой целью используются титановые металлоконструкции как сами по себе, так и в комбинации с различными видами трансплантатов. Их преимуществами являются: высокая биологическая совместимость, удобство хранения и стерилизации, прочностные характеристики, позволяющие воспринимать значительные нагрузки; возможность моделирования с последующим изготовлением индивидуальной конструкции эндопротеза [51, 53,54, 71, 233, 239,181, 242, 100].

В то же время, как показывает практика, титановые металлоконструкции далеко не всегда могут удовлетворить клинициста. В ряде случаев возникали такие осложнения, как переломы сетчатых конструкций и металлоконструкций серийного производства, «эффект усталости металла», ослабление зон крепления, образование свищей и пролежней в парапротезной зоне, а также истончение и травмирование слизистой полости рта при ношении ортопедических съёмных конструкций [2, 49, 35,68, 69, 89, 229, 75].

Конструкции для челюстно-лицевой хирургии должны в полной мере восстанавливать функциональность и замену утраченных костных структур, обладая высокими остеоинтегративными и биоадаптивными характеристиками, значительными показателями твёрдости, износостойкости, а также биосовместимости [10, 24, 54, 75, 90].

Возможным способом повысить эффективность клинического применения эндопротезов является использование нанофазных технологий. С их помощью возможно оптимизировать поверхность имплантатов и протезов, придать ей нужные физико-химические и биологические свойства, позволяющие оптимизировать процесс интеграции.

Ввиду этой цели необходимо продолжение исследований, направленных на изучение различных процессов микробиоценоза в тканях, окружающих имплантат, изучение модификаций поверхности металлоконструкций, придание ей физико-химических и биомеханических свойств, способствующих активации специфических биоактивных компонент жидкостной среды [53, 211, 119].

Задачей науки и клинической практики является внедрение программ объёмной оценки дефектов, конструкций индивидуальных эндопротезов, технологическое усовершенствование их путём оптимизации модифицированной поверхности с целью активизации интеграционных процессов, придание ей нужных физико-химических и биомеханических свойств [218, 25, 129, 203]. Таким образом, создание биоинженерных конструкций для практической медицины, разработка биосовместимых покрытий с целью направленного регулирования их физико-химических и биоактивных свойств для обеспечения создания единой функциональной биомеханической системы является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования

Рост числа пострадавших с травмами лицевого скелета обуславливают необходимость восстановления функций и эстетики утраченного фрагмента лицевой области. Костно-реконструктивное пластическое устранение

комбинированных дефектов лица — это многокомпонентные операции с применением современных атензионных материалов и компьютерных технологий.

Несмотря на то, что аутотрансплантация с применением микрохирургической техники является основным направленим в восстановительной хирургии, использование в клинической практике эндопротезов из металлоконструкций для восстановления объёма мягких тканей и функции нижней челюсти не потеряло свою актальность. Титановые конструкции имеют определенные преимущества: доступны, не ограничены размерами и формой, позволяют восстановить функцию и являются основой для роста тканей. Вопрос разработки и совершенствования способов хирургического лечения больных с дефектами и деформациями нижней челюсти при использовании различных индивидуальных титановых конструкций, с применением атензионных материалов остаётся актуальным вопросом и определил цель и задачи настоящего исследования.

Цель исследования

Повысить эффективность лечения пациентов с приобретенными дефектами и деформациями нижней челюсти путем разработки и внедрения в клиническую практику индивидуальных титановых эндопротезов с развитой остеоинтегративной поверхностью, созданной с использованием нанофазных технологий, и обеспечивающих физиологическую биомеханику движений нижней челюсти.

Задачи исследования

1. Определить профиль шероховатости, создаваемый при различных типах обработки титановой поверхности, и воздействие, которое оказывает на него дополнительное напыление диоксидом титана структуры анатаз методом атомно-слоевого осаждения, путем проведения сравнительной характеристики металлографических показателей.

2. Исследовать процессы адгезии клеток к титановым поверхностям с различным профилем шероховатости и интенсивность их роста in vitro.

3. Изучить в эксперименте на животных реакцию тканей на имплантацию титановых конструкций с различным типом обработки поверхности.

4. Разработать протез надкостницы из тонкого титанового сетчатого материала и оценить его способность интегрироваться с мягкими тканями экспериментальных животных.

5. Разработать протез суставной впадины височно-нижнечелюстного сустава, препятствующей дислокации головки искусственного мыщелкового отростка, и оценить его способность обеспечивать физиологическую биомеханику движений нижней челюсти.

6. Проанализировать результаты лечения пациентов с приобретенными дефектами и деформациями нижней челюсти различного происхождения, в лечении которых использовались стандартные эндопротезы серийного производства, по данным архивного материала клиники.

7. Внедрить в клиническую практику при лечении пациентов с дефектами нижней челюсти различного происхождения индивидуальные эндопротезы разработанной в ходе выполнения настоящей работы конструкции, обеспечивающей физиологическую биомеханику движений нижней челюсти, с развитой остеоинтегративной поверхностью, созданной с использованием нанофазных технологий. Доказать клиническую эффективность её применения в сравнении с данными, полученными из архивного материала клиники.

8. Оценить качество жизни пациентов с дефектами нижней челюсти, для устранения которых были использованы индивидуальные эндопротезы с развитой остеоинтегративной поверхностью и обеспечивающие физиологическую

биомеханику движений нижней челюсти, на этапах лечения с помощью опросника OHIP-14.

Научная новизна

Впервые проведена сравнительная металлографическая характеристика различных типов обработки титановой поверхности. Получена новая форма их модификации путем напыления (обработки) диоксидом титана структуры «анатаз» методом атомно-слоевого осаждения. В исследованиях in vitro и in vivo доказано, что данный вид покрытия обеспечивает высокую степень адгезии клеточных элементов за счёт изменения физико-химических свойств поверхности титана и повышенную способность к интеграционным процессам с тканями за счёт увеличения площади соприкосновения.

Впервые, на основании механико-математических расчетов, разработана конструкция эндопротеза височно-нижнечелюстного сустава с антидислокационным элементом суставной ямки, соединяющейся с головкой искусственного мыщелкового отростка по типу «шарнирного блока», и доказана ее способность воспроизводить физиологические движения нижней челюсти в максимально полном объеме, восстанавливая жевательную эффективность.

Впервые проведена комплексная оценка клинической эффективности использования индивидуальных эндопротезов с развитой остеоинтегративной поверхностью, созданной с использованием нанофазных технологий, и обеспечивающих физиологическую биомеханику движений нижней челюсти в лечении пациентов с приобретенными дефектами и деформациями нижней челюсти различного происхождения. Доказано их преимущество по сравнению со стандартными конструкциями серийного производства на основании сравнительного анализа частоты развития осложнений и их характера. Для полноценного восстановления жевательной функции и эстетических параметров лица предложены комбинированные конструкции эндопротезов с опорными площадками (шахты), на которых фиксируются абатменты индивидуальной

высоты, устанавливаемой в зависимости от объема слизистой оболочки полости рта над поверхностью эндопротеза.

Впервые исследовано качество жизни пациентов с приобретенными дефектами и деформациям нижней челюсти различной этиологии на этапах лечения. Показано, что опросник ОН1Р-14 является эффективным средством, как для решения данной задачи, так и для улучшения взаимодействия врача и пациента, позволяя определить основные проблемы, адекватно оценить психологическую реакцию на проводимое лечение.

Теоретическая и практическая значимость

Для клинического применения разработаны титановые конструкции с высоко развитой остеоинтегративной поверхностью, позволяющей оптимизировать процессы репаративного остеогенеза в области костных дефектов. Создан протез надкостницы из тонкого титанового сетчатого материала, обеспечивающий высокую степень интеграции с мягкими тканями, окружающими эндопротез, благодаря чему значительно снижается вероятность развития осложнений, связанных с его прорезыванием и инфицированием. Разработана принципиально новая конструкция протеза височно-нижнечелюстного сустава с суставной впадиной, содержащей антидислокационный элемент, что позволяет предотвращать вторичное смещение искусственной головки мыщелкового отростка и обеспечивать восстановление физиологической биомеханики нижней челюсти.

Разработан алгоритм изготовления и применения позиционных и операционных шаблонов, позволяющий максимально экономно резецировать костную ткань и максимально точно позиционировать эндопротезы из титана и полимеров.

Внедрены в клиническую практику индивидуальные конструкции эндопротезов нижней челюсти с развитой остеоинтегративной поверхностью и обеспечивающие физиологическую биомеханику движений нижней челюсти для

лечения пациентов с дефектами и деформациями нижней челюсти различного происхождения. Доказано их преимущество перед стандартными конструкциями серийного производства. Разработаны конструкции индивидуального эндопротеза нижней челюсти, как искусственного органа с интегрированными дентальными имплантатами, для последующего изготовления условно-съемной ортопедической конструкции, что позволяет получить прогнозируемый стабильный функциональный и эстетический результат в отдалённом послеоперационном периоде.

В практику лечения больных с приобретенными дефектами и деформациями нижней челюсти внедрен опросник ОН1Р-14, являющийся действенным средством взаимодействия врача и пациента и позволяющий эффективно оценивать качество жизни больного в период лечения.

Методология и методы исследования

В современных условиях быстрого развития технологий, наращивания материальной базы, компьютерных технологий очень важны методы и методология проведения нучного исследования.

В клинической практике важное место занимают принципы и правила доказательной медицины. В диссертационном исследовании использованы клинические, морфометрические, функциональные (ЭМГ), рентгенологические (ортопантомограмма, конусно-лучевая компьютерная томограмма, магнитно- 16 резонансная томография), биометрические методы исследования, метод применения стереолитографической технологии.

Все проведённые исследования одобрены Этическим комитетом ФГАОУ ВО Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) (протокол№ 12-21 от 07.07.2021).

План и дизайн исследования соответствовал положениям Хельсинской декларации Всемирной медицинской организации последнего пересмотра (64 Ш

WMA General Assembly, 2013).

Систематизация исходной информации, обработка и визуализация полученных результатов осуществлялись в электронных таблицах Microsoft Office Excel 2016. Статистическая обработка данных выполнена с применением пакетов прикладных программ Statistica 10 и SAS JMP 11. Обработка стереолитографических моделей проводилась в программе Materialise Mimics. При исследовании биомеханики ВНЧС и вращения мыщелкового отростка в суставной впадине, нагрузок на стенки суставной впадины при работающем суставе использовали математическую программу «Solidworks Simulation».

Предметом исследования является полный фотоанализ на всех этапах лечения пациентов, медико-социальное анкетирование до и после операционного периода. Регистрировались функционные, рентгенологические и биометрические данные исследования на этапах комплексной реабилитации пациентов с деформациями челюстно-лицевой области.

Объектами исследования были 251 пациент в возрасте от 18 до 64 лет с дефектами челюстно-лицевой области, из них: 141 пациент - группа сравнения (архивный материал); 110 прооперированных пациентов - основная группа (собственно-клиническое исследование).

Положения, выносимые на защиту

1. Модификация поверхностных слоёв эндопротеза из титана путём пескоструирования и оксидирования обеспечивает повышенную способность к интеграции, высокую адгезию и концентрацию клеточных элементов за счёт увеличения площади поверхности соприкосновения и изменения её электрохимических свойств.

2. Протез надкостницы, изготовленный из титановой сетки плотностью 80-100 г/м2 и толщиной титановой нити 60 мкм в комплексе с титановым эндопротезом, нивелирует разность модулей упругости протеза и окружающих мягких тканей и

минимизирует вероятность биомеханического конфликта, быстрого изнашивания или «разбивания» мягких тканей вокруг протеза, играя роль буферной зоны.

3. Для предотвращения вторичного смещения головки искусственного мыщелкового отростка и восстановления физиологической биомеханики нижней челюсти необходимо использование антидислокационного элемента в составе суставной ямки, а также математический расчет центров положения мыщелковых отростков эндопротеза и контралатеральной стороны.

4. Индивидуальные конструкции эндопротезов для замещения дефектов нижней челюсти с развитой остеоинтегративной поверхностью, обеспечивающие физиологическую биомеханику движений нижней челюсти, имеют меньшую частоту развития осложнений в послеоперационном периоде по сравнению со стандартными конструкциями серийного производства и, соответственно, более высокую клиническую эффективность.

Внедрение результатов работы и личный вклад автора

Участие автора осуществлялось на всех этапах работы, ему принадлежит ведущая роль в выборе направления исследования, наборе клинического материала, постановке целей и задач при планировании исследования, проведении оперативного вмешательства более 1 10 больным и послеоперационного наблюдения, включая поездки в регионы. Все пациенты проходили лечение под наблюдением автора в стационаре челюстно-лицевой хирургии в Университетских Клинических Больницах №2-4 Первого МГМУ им. И.М. Сеченова (Сеченовский Университет). Автору принадлежит инициатива по совершенствованию методов хирургического лечения анкилозов ВНЧС, внедрению в клиническую практику усовершенствованной конструкции эндопротеза суставной впадины, индивидуального эндопротеза с модифицированной поверхностью и сетчатым компонентом.

Апробация диссертации

Апробация диссертационной работы проведена 28 октября 2021 г. на совместном заседании кафедр челюстно-лицевой хирургии имени академика

H.Н.Бажанова, детской профилактической стоматологии и ортодонтии Института стоматологии имени Е.В.Боровского ФГАОУ ВО Первый МГМУ имени И.М.Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), кафедры стоматологии и челюстно-лицевой хирургии ФГАОУ Российского университета дружбы народов. Научное обсуждение работы и результаты исследования были доложены на различных конференциях:

I. II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Остеосинтез лицевого черепа». Москва, 25-26 октября 2012;

2. Национальный конгресс Пластическая хирургия -2012;

3. Всероссийская Научно-Практическая Конференция с Международным участием «Остеосинтез лицевого черепа». Москва, 2013;

4. I Междисциплинарный конгресс по заболеваниям органов головы и шеи. Медицина XXI века - междисциплинарный подход к патологии органов головы и шеи. Опухоли головы и шеи. Москва, 2013;

5. Всероссийская научно-практическая конференция СтАР «Актуальные проблемы стоматологии». Москва, 2014;

6. Всероссийская научно-практическая конференция СтАР «Актуальные проблемы стоматологии». Москва, 2016;

7. Всероссийский стоматологический форум и выставка ДЕНТАЛ-РЕВЮ 2017. Москва, 2017;

8. Научно-практическая конференция учёных России и Хорватии: Сборник - М.: НИТУ «МИСиС», 2019 - 247 c. ISBN 978-5-907226-34-0;

9. Научно-практическая конференция 2019, доклад: «Наноструктуризация и исследование поверхности титана». Surface nanostructuring of dental prosthesis based on titanium;

10. IEES International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale, 3M-NANO 2019 - Proceedings, 2019, стр. 134-137, 8947380;

11. 2020. Итоги VIII Международного междисциплинарного конгресса по заболеваниям органов головы и шеи: «Модификация поверхности титанового эндопротеза как ключ к улучшению остеоинтеграции»;

12. XlV международная практическая конференция «Современная медицина: новые походы и актуальные исследования». Москва 23.02.2021;

13. IX Международный междисциплинарный конгресс по заболеваниям органов головы и шеи. Москва 24.05.2021 - 26.05.2021.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Все диссертационные исследования, полученные результаты, область применения соответствует шифру научной специальности: 14.01.14

Стоматология - область науки, занимающаяся изучением этиологии, патогенеза врождённых и приобретённых аномалий развития, дефектов и деформаций челюстно-лицевой области, разработкой методов их профилактики, диагностики и лечения. Совершенствование методов профилактики, ранней диагностики и современных методов лечения стоматологических заболеваний будет способствовать сохранению здоровья населения страны. Диссертация соответствует формуле специальности, области исследований согласно пунктам 3 и 4.

Публикации

По теме диссертационного исследования опубликовано 17 научных статей, отражающих основные результаты диссертации из них:

-в изданиях из Переченя Университета / Переченя ВАК при Минобрнауки России-6 статей;

-в журналах, включённых в МБД Scopus - 11 статей. Патентов на изобретение - 4.

Объём и структура диссертации

Текст диссертации изложен на 317 страницах машинописного текста, включает 236 рисунков, 32 таблицы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, содержащего 254 источника, из них 97 русскоязычных и 157 зарубежных публикаций.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Трансплантации костной ткани для замещения дефектов нижней челюсти, опыт отечественных и зарубежных клиницистов

Замещение костных структур является одним из основных направлений современной челюстно-лицевой хирургии. Разработки ведутся с использованием как биологических материалов (проведение ауто-, алло-, ксенопластики, пересадка брефокости и хрящевой ткани), так и небиологических (из металлов и полимеров).

Замещение же дефектов нижней челюсти имеет целью не только восстановление анатомической целостности, но и поддержание таких важнейших функций, как жевание, глотание, артикуляция и дыхание, а также обеспечение необратимого косметического результата, что необходимо для нормальной адаптации пациента.

В конце XIX столетия остеопластику нижней челюсти при восполнении дефекта, образовавшегося после резекции по поводу новообразований, послеоперационного дефекта по поводу остеомиелита, немецкие хирурги A. Wildt, A. Bardenheuer (1892) замещали костным аутотрансплантатом из ключицы, из подвздошной кости.

Отечественные хирурги с успехом закрывали послеоперационные дефекты нижней челюсти различных размеров трансплантатами на ножке, взятыми из самой нижней челюсти (П. И. Дьяконов, 1897; А. А. Дешан, 1897; Krause, 1904).

При этом многие авторы, такие как А. И. Евдокимов (1950), Н. М. Михельсон, А. Э. Рауэр, Т. Blocker, L. Weis (1946), отдавали предпочтение трансплантатам из гребешка подвздошной кости.

По данным R. М. Tiwari (1994) [238], он применил свободный подвздошный костный трансплантат для реконструкции нижней челюсти у 18 больных со злокачественными новообразованиями. Восстановление непрерывности челюсти достигнуто только в 56 %, в 17 % развились осложнения, в 27 % случаев отмечен рецидив новообразования. Данный метод реконструкции нижней челюсти

используется и в настоящее время [212]. В Германии для его оценки были проанализированы истории болезни 279 пациентов, включая 104 пациента, которым проводили аутотрансплантацию с последующей имплантацией зубов с использованием в качестве трансплантата гребня подвздошной кости с фиксацией его титановыми винтами и последующим их удалением. Причем для 95,6 % пациентов операция прошла успешно.

Для решения проблемы восполнения дефекта нижней челюсти костные фрагменты подвергались различным формам обработки. Так, скелетирование и облучение получили распространение как в нашей стране, так и за рубежом [56, 46, 108], что послужило началом использования метода аллопластики, позволяющего исключить травматизм пациента при извлечении аутотрансплантата, в целях восполнения дефектов нижней челюсти.

С. Cummings и В. Leipzig (1980) использовали криогенную девитализацию. R. А. Piezia (1978) восстановил таким способом нижнюю челюсть 9 пациентам, однако, 5 из 9 трансплантатов были удалены из-за развития воспалительного процесса, который мог быть обусловлен способом консервации.

П. Г. Сысолятин (1993) [73] использовал аналогичную методику при лечении доброкачественных опухолей. Он резецировал пораженный фрагмент кости, проводил его механическую обработку, трехкратное замораживание жидким азотом, стерилизацию газообразной окисью этилена и осуществлял реплантацию с фиксацией с помощью устройств из никелида титана.

В отечественной хирургической практике челюстно-лицевой хирургии комбинированный костный аутотрансплантат, состоящий из лиофилизированного фрагмента в сочетании с ауторебром, был применен при устранении обширного дефекта нижней челюсти. Через два года отмечалась полная перестройка трансплантата с образованием органотипичного регенерата. Выявлены хорошие пластические свойства лиофилизированных ортотопических трансплантатов из нижней челюсти, особенно при замещении обширных дефектов нижней челюсти и артропластике височно-нижнечелюстного сустава (П. В. Наумова (1965), А. А.

Колесова и соавторы (1972), Н. К. Загубелюк (1971), В. И. Пузанова (1973), J. Mellonighetal (1976)).

Широко использовались формалинизированные трансплантаты [7,152]. Применение подобных трансплантатов особенно оправдано при замещении дефектов, возникших в результате остеомиелита и в случаях инфицирования воспринимающего ложа. По мнению авторов, в таких случаях важную роль играет антимикробное действие формалина.

В хирургической практике при замещении костных фрагментов в качестве костного материала несколько десятков лет применяют деминерализованный костный матрикса (ДКМ) Впервые деминерализованную кость, полученную как этап приготовления кости для трансплантации, использовал N. Senn в 1889 году в эксперименте на собаках [220]. Применение ДКМ началось с M. R. Urist, который в 1965 году систематизировал (способы получения, обработки, консервации), описал и экспериментально применил методику трансплантации ДКМ [46, 53, 139, 149, 178, 239].

С применением в клинической практике микрохирургической техники появилась возможность в один этап закрывать дефекты нижней челюсти любого размера, сочетающиеся с дефектами прилежащих мягких тканей, используя свободные лоскуты с осевым кровообращением [12, 13, 33, 43, 48].

Впервые эта техника была предложена В. Strauch в 1971 году [232]. Автор рекомендовал использовать артериализированный сложный трансплантат с включением ребра. Спустя несколько лет появились работы G. I. Taylor, R. К. Daniel, L. Т. Ostrup, J. М. Fredrickson, демонстрирующие, что ребро и подвздошный гребень можно перемещать в область дефекта нижней челюсти с сохранением автономного кровотока [236, 200]. Большое распространение в клинической практике в качестве донорской зоны получили пахово-подвздошная область, лопаточная зона, область малоберцовой кости [46, 50, 53 122, 161, 104, 217].

Анализ основных методов костной аутопластики нижней челюсти позволил прийти к заключению, что практически всем видам аутотрансплантатов, несмотря на их положительные остеопластические свойства, присущ ряд недостатков: 1)

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Шайхалиев Астемир Икрамович, 2022 год

■я -

Рисунок 2 - Стандартный график пиков шероховатости, получаемый при определении профиля на титановой поверхности с использованием СЗМ (сканирующей зондовой микроскопии)

2.1.1 Формирование на титановых образцах серийного производства покрытий диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения

Все полученные конструкции с разной формой шероховатости были продублированы и покрыты диоксидом титана структуры анатаз методом атомно-слоевого осаждения.

Диоксид титана на поверхности титановых конструкций, получают из этоксититан Ti (OC2H5)4 (97%) и воды методом атомно-слоевого осаждения в вертикальном реакторе Sunale-R150 фирмы Picosun Oy (Рисунок 3).

Атомно-слоевое осаждение (АСО) - метод нанесения тонких пленок на поверхность детали (подложку) путем последовательной подачи на поверхность прекурсоров (реагентов). Они, взаимодействуя друг с другом, образуют необходимый для покрытия материал, который закрепляется на поверхности детали.

Не прореагировавшие прекурсоры и побочные продукты реакции удаляются при помощи импульсной подачи инертного газа (как правило, аргона). Таким образом, за один цикл на поверхности детали образуется слой пленки толщиной в одну молекулу. Количество циклов определяет количество слоёв в пленке.

Рисунок 3 - Установка Sunale-R150 для нанесения покрытий методом атомно-слоевого осаждения

С поверхности титановых пластин при высоких температурах (в данном случае 250°С и 300°С) удаляют молекулы воды. Оставшиеся на поверхности гидроксил-группы участвуют в реакции с прекурсором тетраэтоксититана в процессе атомарно-слоеного осаждении диоксида титана.

Между титаном и ОН-группой на поверхности подложки образуется связь ТьО Следующим этапом осуществляется добавлением воды, которая реагирует С органическими лигандами с образованием ТьОН и этилового спирта. Спирт находится в газообразном состоянии и удаляется из реактора.

Морфологию модификации на поверхности покрытий исследуют под электронной сканирующей и зондовой микроскопией (Рисунок 4).

20 к и Х430 50Ат 13 64 БЕ I

Рисунок 4 - Поверхность титановой конструкции серийного образца после напыления диоксида титана атомно-слоевым осаждением, сканирующая электронная микроскопия, характерный серый оттенок (увеличение 430)

2.1.2 Формирование полированной поверхности и исследование профиля её

модификации

Полированная поверхность - одна из форм шероховатости поверхности. При механической полировке требуемое качество достигается при варьировании абразивов и способов воздействия. Время полирования зависит от шероховатости поверхности металла.

В нашем исследовании экспериментальные титановые подложки полировались на автоматической шлифовально-полировальной машине Struers Roto Pol-21 с использованием оксидной пасты и травителя (Рисунок 5).

Рисунок 5- Вибрационно-электрическая полировальная машинка Struers Roto Pol-21 для полирования различных поверхностей, устранения вкраплений и голограмм в наборе с полировальными пастами и полировальными кругами

2.1.3 Формирование шероховатости на титановых образцах методом

пескоструйной обработки

Пескоструйная обработка представляет собой модифицирование поверхности имплантата абразивными материалами под давлением.

Получение данной формы модификации состоит из обработки металлических поверхностей титановых конструкций, дисков, каркасов в лаборатории. Для этого

использовали пескоструйный аппарат «Аверон АСОЗ-1», представляющий собой герметичную камеру с соплом, манипуляторами и защитным стеклом (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Пескоструйный аппарат «Аверон АСОЗ-1»

С помощью пескоструйной обработки на поверхности титановых конструкций получали макромодификацию за счет ее столкновения с микроскопическими частицами. Толщина пористого слоя может быть изменена в зависимости от размера гранулированных частиц (Рисунок 7).

Рисунок 7 - Титановая поверхность диска после пескоструйной обработки. Световая оптическая микроскопия (СОМ). А - увеличение 15, Б - увеличение 200

2.1.4 Формирование шероховатости химическим методом травления

титановых образцов

Для получения форм шероховатости на титане и его сплавах электрохимическим и химическим способами в качестве электролитов чаще всего применяют растворы кислот: фосфорной, серной и их смеси. Отсутствие электрического потенциала на границе имплантат - среда, спровоцированный

остатками электролита, способствует интеграции имплантата в костные и мягкие ткани [58].

Подготовка металлической поверхности перед нанесением покрытий заключается в промывке и очистке. Предварительная промывка проводилась в ультразвуковой ванне смесью, состоящей из равных частей растворителей: ацетона, дихлорэтана и изопропилового спирта, далее в изопропиловом спирте с использованием ультразвуковой установки УЗДН- 2Т.

Химическое травление титановых образцов (Рисунок 8) для получения шероховатости на их поверхности проводилось в растворе НР + DMF в соотношении 1:9 в течение 5 мин при температуре 20°С.

Рисунок 8 - Микрофотография поверхности титановых конструкций после химической обработки. СЭМ (увеличение 200). Поверхность титановой конструкции обретает сероватый оттенок. При химической обработке поверхности травление протекает по границам зерен, образования пористого слоя не происходит. Глубина травления зависит от времени травления

2.1.5 Формирование шероховатости покрытий на титановых поверхностях

электрохимическим методом травления

Электрохимическое травление проводилось на стандартной установке электрохимического оксидирования, МюшАгс-3.0, в растворе HР+DMF 1:9, позволяющей изменять рабочее напряжение в диапазоне 50-300 В. Электролиз осуществляли в ванне с электролитом. Время травления составляло 5 мин для

данных образцов титана. Травление проводилось в режиме постоянного тока с j = 70 мА/см2 при температуре 20°С.

Изделия погружаются в электролит и обрабатываются при заданных параметрах процесса. На завершенность процесса оксидирования указывает исчезновение пятнистости, цветовых переходов и формирование однородного серого или светло серого покрытия [58], (Рисунок 9).

Рисунок 9 - Поверхность титановых конструкций после электрохимической обработки. СЭМ (увеличение 2000). Модификация на поверхности титановой конструкции обретает определённую симметрию шероховатости, травление идет однородно по всей поверхности образца вследствие двухфазного характера сплава титана

2.2 Металлографические исследования морфологии поверхности

титановых конструкций

Металлографические исследование поверхности позволяют определить размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в исследуемом образце, проконтролировать состояние структуры поверхностного слоя изделия (имплантата), выявить микродефекты [68].

Исследование покрытий базируется на комплексном подходе с применением интегральных объемных методов, сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и световой оптической микроскопии (СОМ).

2.2.1 Световая оптическая микроскопия (СОМ)

Оптической микроскопией называют совокупность методов наблюдения и исследования частиц анализируемых титановых образцов, невидимых невооруженным глазом, с помощью оптического микроскопа (СОМ). Световую оптическую микроскопию проводили на металлографическом инвертированном микроскопе (OLYMPUS GX-51 (OLYMPUS, Япония) (Рисунок 10). Для фотографирования поверхности изделия (имплантата), как правило, использовали увеличение от 50 до 500 (Рисунок 11).

Рисунок 10 - Металлографический инвертированный микроскоп OLYMPUS GX-51 (OLYMPUS, Япония)

Рисунок 11 - Макрофотография образца титанового диска, полученная при помощи светового оптического микроскопа OLYMPUS GX-51. А - увеличение 50, Б - 500. Крестиком указана зона фотографирования

2.2.2 Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)

Работа сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (Рисунок 12Б). СЗМ позволяет получить истинную картину трёхмерного рельефа поверхности. Кроме того,

сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображения как для проводящих, так и для непроводящих поверхностей.

Рисунок 12 - Фотографии сканирующего зондового микроскопа MFP-3D SA (Asylum Research, USA). А - общий вид, Б - зонд-кантилевер

За счет использования специального сенсора - кантилевера достигается высокое пространственное разрешение методики и чувствительность к различным взаимодействиям. (Рисунок 12 Б).

На сканирующем зондовом микроскопе можно получить 2D и 3D топографию поверхности образцов (Рисунок 13).

Рисунок 13 - А - 2D топография, Б - 3Б топография поверхности титанового образца после обработки данных на сканирующем зондовом микроскопе. Слева цифровые значения нанометрового диапазона

2.2.3 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) достаточно широко используется в связи с тем, что при сопоставимых увеличениях обладает в 100 раз большей глубиной резкости, чем световая микроскопия. (Рисунок 14).

Рисунок 14 - Микрофотография титановых образцов после травления поверхности в растворах электролитов, СЭМ. А - увеличение 700, Б -10000

СЭМ может объективизировать различную пористость вследствие вымывания кристаллов титана и микрокристалловых отложений на поверхности пластин.

Нами было проведено исследование образцов с использованием сканирующего электронного микроскопа LE0-1430VP (Zeiss, Германия) с применением детектора вторичных электронов при работе с высушенными образцами и высокочувствительного полупроводникового детектора обратно -рассеянных электронов. Использовалось ускоряющее напряжение в 20kV и рабочее расстояние до препаратов 9 мм. В процессе работы с высушенными образцами их наклеивали на медные пластины и напыляли на их поверхность золотопалладиевую смесь методом катодного напыления в среде аргона в установке BAL-TEC SCD005 (Рисунок 15).

Рисунок 15. Установка BAL-TEC SCD005 для напыления металла на пластины с образцами методом катодного напыления в среде аргона

Жидкостная плёнка на препаратах, являясь электропроводником, накапливает поглощенные электроны и приводит к появлению на поверхности образца заряженных областей, которые при сканировании могут нерегулярным образом отклонять первичный пучок электронов, приводя к серьезным искажениям изображения.

Во избежание появления эффекта зарядки производится напыление проводящего покрытия, чаще всего при помощи метода катодного распыления в газовой среде. После напыления препараты просматривались в режиме высокого вакуума на увеличениях от 200х до 10000х (Рисунок16).

Рисунок 16 - Микрофотография препарата, видна граница мягких тканей и титанового образца. СЭМ, увеличение 300

2.3 Изучение биологических свойств титановых образцов

Исследование биологических свойств на титановых образцах с модифицированной поверхностью включало: исследование общих и местных реакций на введение имплантата, исследование остеокондуктивных свойств имплантатов, определение их цитотоксичности и способности к адгезии фибробластов кожи человека к поверхности биоматериала [58добавить].

Оценку интеграционных процессов интерпретировали с использованием СЭМ, СЗМ, измерение оптической плотности (OD) проводили на планшетном спектрофотометре TECAN Infinite M200PRO при длине волны 540 нм.

2.3.1 Методы исследования титановых дисков in vitro, с использованием клеточной культуры кожных фибробластов человека

Исследования проводились в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В. Н. Ореховича» (ИБМХ) в лаборатории клеточной биологии, зав. Лабораторией д.б.н. профессор, член-корреспондент РАМН Ярыгин К.Н.

Оценка морфологии кожных фибробластов в культуре проводилась на протяжении всего периода культивирования и на разных стадиях последующих экспериментов с использованием фазово-контрастной микроскопии с применением светового микроскопа (Zeiss Axiovert 40CFL, Германия). Цифровые изображения клеток получали с помощью фотокамеры Nikon D5000.

Образцы ткани кожи предплечья здорового донора без подкожной жировой клетчатки размером 0,5 см2 тщательно промывали в растворе Хэнкса (ПанЭко, Россия), содержащем антибиотик/антимикотик (Gibco, США) для исключения бактериальной/грибковой контаминации. После этого ткань обрабатывали раствором диспазы (25 ед/мл) (Gibco, США) в течение 1 часа при 37°С, что позволяет избавиться от эпидермиса во избежание контаминации культуры кожных

фибробластов кератиноцитами. После удаления эпидермиса с помощью скальпеля оставшуюся дерму переносили в 0,1%-ный раствор коллагеназы I типа (Gibco, США), механически измельчали и инкубировали в течение 1 ч при 37°С. По окончании инкубации полученную суспензию дважды отмывали в растворе Хэнкса центрифугированием при 300 g в течение 5 мин. Осадок ресуспендировали в ростовой среде DMEM/F12, содержащей 10% фетальной сыворотки крупного рогатого скота (FBS), 100 ед/мл пенициллина и 100 мкг/мл стрептомицина (все -Gibco, США) и переносили в культуральные флаконы площадью 75 см2 (Greiner, США). Культивирование осуществляли в СО2 инкубаторе (37°С, 5% СО2, 80% влажности). При достижении 80-90% конфлюентности осуществляли пассирование клеток. Для этого ростовую среду удаляли, к клеткам адгезированным к пластику добавляли раствор трипсина/Версена (ПанЭко, Россия), инкубировали в течение 3-5 мин в СО2 инкубаторе. Открепившиеся от подложки клетки собирали и отмывали в фосфатно-солевом буфере (ФСБ, pH7,4) центрифугированием при 300g в течение 5 мин. Подсчет клеток производили в камере Горяева. На флакон площадью 75 см2 засевали 5*105 клеток. Для последующих экспериментов использовали клетки, полученные не позднее 5-го пассажа.

Перед использованием экспериментальные образцы 40 штук, имеющие форму диска, диаметром ~ 5 мм и толщиной ~ 1 мм, стерилизовали автоклавированием при 120°С в течение 1 ч. Стерильные скэффолды помещали на дно лунки 48-луночного планшета, сверху раскапывали суспензию кожных фибробластов (по 30 тыс. клеток/лунка), предварительно трипсинизированных и отмытых в PBS. Фибробласты культивировали на скэффолдах в течение 4 дней в СО2 инкубаторе, со сменой среды каждые 2 дня.

В работе изучались диски 10 серий: 1) образцы после пескоструйной обработки поверхности; 2) образцы после пескоструйной обработки с последующим покрытием диоксидом титана структуры анатаз методом АСО; 3) образцы с полированной поверхностью; 4) образцы с полированной поверхностью и с покрытием анатаз; 5) титановые образцы, выдержанные в химических растворах;

6) титановые образцы, выдержанные в химических растворах, с покрытием структуры анатаз; 7) титановые образцы после электрохимической обработки; 8) титановые образы после электрохимической обработки с покрытием структуры анатаз; 9) контрольные образцы, представляющие собой титановые диски серийного производства; 10) контрольные титановые образцы серийного производства с модифицированием поверхности диоксидом титана методом атомно-слоевого осаждения.

Для проведения колориметрического теста использовали 40 экспериментальных образцов с модифицированной поверхностью. Стерильные титановые диски помещали в разные лунки 48-луночного планшета, сверху раскапывали суспензию кожных фибробластов (30 тыс. клеток/лунка) в 1 мл ростовой среды. В качестве контроля засевали 4 лунки без диска тем же количеством клеток. Культивирование клеток проводили в течение 4-х дней в СО2 инкубаторе. По истечении периода культивирования скэффолды вынимали из лунок, ростовую среду аккуратно удаляли и добавляли по 200 мкл/лунка раствора МТТ (3-(4,5-диметилтиазол-2-ил)-2,5-дифенил-тетразолиум бромид) (5 мг/мл в PBS), инкубировали в течение 2-4 ч в СО2 инкубаторе с открытой крышкой. В течение инкубации происходило выпадение кристаллов формазана, для растворения которых в лунки добавляли по 500 мкл диметилсульфоксида (DMSO).

Добившись полного растворения кристаллов формазана путем встряхивания планшета на вортексе, проводили измерение оптической плотности (ОП) на планшетном спектрофотометре TECAN Infinite M200PR0 при длине волны 540 нм. Наблюдается слущивание микрочастиц основного материала с титановых образцов в культуральную среду.

Оптическая плотность растворов прямо пропорциональна концентрации вещества, растворённого в ней. Значения ОП для каждого из образцов представляют собой среднее трех повторов. Статистическую обработку и построение графиков проводили в программе SigmaPlot.

Жизнеспособность клеток рассчитывали по следующей формуле: Жизнеспособность = ОП (культура+образец) /ОП (интактная культура) х 100%

где ОП (культура+образец) - значение оптической плотности, полученное в лунках клеток, культивируемых на поверхности титановых дисков;

ОП (интактная культура) - значение оптической плотности, полученное в контрольных лунках, содержащих интактные клетки.

За референсное значение ОП, относительно которой сравниваются все остальные плотности, взята просто жидкость в лунках без клеток.

Для исследования образцов на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) высушивание образцов осуществляют на аппарате Hitachi CPD-1 (Critical Point Dryer), потом на предметных столиках напыляют смесью золото-палладий, используя установку Eiko-IB3 (Рисунок 17).

Захват и обработку видеоизображения на персональном компьютере реализовывали с использованием программно-аппаратного комплекса Microcapture 2.2 (системы для микроскопии и анализа).

Рисунок 17 - Ионно-напылительная установка Eiko-IB3 (Ioncoater)

На микрографиях титановых образов, в программе ImageJ, при помощи инструмента Straight и segmented line измеряли концентрацию, длину и ширину случайно выбранных клеток с дальнейшим подсчетом усреднённых показателей. На отдельных участках образцов при помощи инструмента Rectangle была проведена оценка концентрации клеток на единицу поверхности титановых пластин. О достоверности различий судили по результатам применения дисперсионного анализа и t-критерия. Все измерения проводили в микрометрах, подсчёты проводили в % и баллах.

Оценку биоинтеграционных процессов на поверхности титановых образцов, подвергшихся различным физическим и химическим воздействиям, проводили по поряду признаков, по интенсивности заселения и сформированной структуре клеточных элементов.

1 балл - до 30% поверхности титанового диска заселено нормальными клеточными элементами адгезированных фибробластов;

2 балла - 30-60% заселения поверхности дисков. Наблюдается некоторое скопление нормальных адгезированных фибробластов с признаками распластывания по всей поверхности испытываемых образцов;

3 балла - в поле зрения значительная площадь титановых дисков - до 60-90% заселена нормальными адгезированными фибробластами.

2.3.2 Методика исследования титановых дисков in vivo, на экспериментальных животных

Исследование титановых конструкций с заданной модификацией на подопытных животных проводили в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова Российской академии наук в лаборатории Биохимии процессов онтогенеза, зав. Лабораторией д.б.н. Шарова Наталья Петровна.

Кроликам породы «Серый Великан» (20 кроликов с средней массой 2 кг) в условиях общего обезболивания (внутримышечный 2% рометаровый наркоз) разрезом до 2 см в области угла нижней челюсти скелетировали костную ткань и создавали дефект фрезой диаметром 5 мм и глубиной 1 мм для установки дисков титана соответствующего размера (Рисунок 18), разрезом в проекции бедренной зоны в мягких тканях ушивали титановые образцы дисков с заданной модификацией поверхности (Рисунок 19).

Рисунок 18 - Разрез в поднижнечелюстной области подопытного животного, скелетирован нижний край нижней челюсти (стрелка)

Титановые конструкции фиксировали под надкостницу лигатурами. Рана послойно ушита узловыми швами с полным укрыванием имплантата. Гемостаз произведен по ходу операции. Кожная рана ушита узловыми швами полигликолид 4/0.

Каждому кролику устанавливали по четыре испытуемых образца титановых пластин с модифицированной поверхностью, с 2-х сторон в нижнюю челюсть и мягкие ткани, всего в эксперименте присутствовало 20 животных (Рисунки 18-21).

Рисунок 19 - Установка титановых пластин подопытному животному

Результаты оперативного вмешательства показали, что местные изменения послеоперационных ран отражали слабую воспалительную реакцию - гиперемию, коллатеральный отек, незначительное серозное отделяемое у 4(20%) животных. Послеоперационные осложнения у всех групп животных, которым

имплантировали титановые диски, отличались незначительно, коллатеральный отек полностью исчезал через 5 суток. Беспокойное поведение животных сохранялось в течение 3-5 суток.

Через месяц все животные были выведены из эксперимента путем введения 6 мл калипсола внутримышечно. Производили забор костных блоков в 10% раствор нейтральный формалина; проводили рентгенологический контроль на аппарате Pan Exam+ (Kavo).

Рисунок 20 - Рентгенограмма челюсти кролика с созданными дефектами после извлечения титановых дисков(стрелка).

Характеристику соединительной ткани вокруг пластин проводили на электронном микроскопе Merlin (Carl Zeiss).

Животные были распределены на 5 групп в соответствии с образцами титановых конструкций, применяемых в эксперименте.

Группа 1 (4 кролика). Контрольная группа. Титановые диски серийного производства и титановые образцы с покрытием поверхности диоксидом титана структуры анатаз.

Группа 2 (4 кролика). Титановые диски с полированной поверхностью и полированные образцы с модификацией анатаз.

Группа 3 (4 кролика). Титановые диски с пескоструированной поверхностью и пескоструированные конструкции с покрытием диоксида титана структуры анатаз.

Группа 4 (4 кролика). Титановые диски с химической обработкой поверхности и титановые диски с химическим травлением и нанесением диоксида титана структуры анатаз.

Группа 5 (4 кролика). Титановые диски с электрохимической обработкой поверхности и титановые конструкции с модификацией поверхности диоксидом титана структуры анатаз.

Рисунок 21 -А-В- Скелетированный фрагмент нижней челюсти кролика,

в переднем отделе (указано стрелками) наблюдаются зоны исскуственно созданных дефектов на нижней челюсти кролика; Б-титановый диск с модифицированной поверхностью.

Соединительная и костная ткань являются структурами, указывающими на интеграционный процесс в зоне контакта, и отражают качество и интенсивность развития процессов регенерации в зоне контакта имплантата и организма.

Оценку активности интеграционных процессов, состояние тканевых структур вокруг титановых дисков в периимплантатной зоне (далее область контакта) оценивали по двум параметрам: объём соединительной ткани, покрывающей титановые диски в процентах и количество коллагена, формирующееся на поверхности дисков. Оценку проводили по трёхбалльной шкале.

1- коллагеновые волокна, являющиеся предшественниками фиброостеоинтеграционных процессов, фиксированы и занимают островковые незначительные участки (до 30% поверхности диска); по стадии зрелости представляют собой лишь преколлагеновые волокна;

2- на титановых экспериментальных дисках превалируют пучки зрелых соединительнотканных коллагеновых волокон (31-50% поверхности диска), появляются отдельные фибриллы коллагеновых пучков;

3- зрелая соединительная ткань в виде коллагеновых волокон, встречаются на всей поверхности экспериментальных дисков (51-100% поверхности диска) на протяжении всего сечения имплантационного ложа.

2.3.3 Методика исследования сетчатых титановых конструкций на экспериментальных животных

Эксперименты проводились на 10 белых крысах породы У^аг обоих полов массой 250 г. Операции (п=15) проводили в условиях общей анестезии нембуталом (внутрибрюшинно, 30 мг/кг). В ходе операций использовали сетку из титана.

На животных выполнено экспериментальное моделирование имплантации сетчатых материалов размером 0,5х0,5 см в мягкие ткани поясничной и затылочной области (Рисунок 22).

Рисунок 22 - Операция по вживлению титановой сетки в ткани подопытных животных

Животных выводили из эксперимента на 30-й день после операции по отработанной методике

В эксперименте использовался материал титановая сетка, Рисунок 23.

Рисунок 23 - Титановая сетка с ключевыми показателями - поверхностной плотностью 100 г/м2 и толщиной нити 50-60 мкм, размер ячейки > 1 мм, эластичность 17-21%, пористость 91%. Производитель НПФ «ТЕМП» г. Екатеринбург. РУ №ФСР2011/12054

Имплантаты извлекались с макимальным сохранением интегрированных на них тканей.

Светооптическое исследование и фотографирование микропрепаратов (коллагена I и III типа) осуществляли на микроскопе «Axiostar» (Германия) при увеличении 200 и 400. Морфометрическое исследование полученных срезов проводили при помощи программы «ImageTool»: сфотографированные в цифровом формате (в среднем по 3 исследования на каждую зону).

Работа проведена в полном соответствии с этическими принципами, установленными Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (принятой в Страсбурге 18.03.1986 г. и подтвержденной в Страсбурге 15.06.2006 г.).

2.4 Общая характеристика и методы клинико-лабораторного обследования больных с дефектами нижней челюсти

2.4.1 Общая характеристика больных

В основу настоящей работы положен углубленный анализ результатов лечения больных с дефектами и деформациями нижней челюсти, наблюдавшихся в период с 2000 по 2020 гг. в клинике челюстно-лицевой хирургии Первого МГМУ им. И.М. Сеченова (Сеченовский Университет).

Общее количество больных, истории болезней которых были проанализированы для выполнения данного исследования, составило 251 человек, из них 141 история болезни архивного материала (группа сравнения), для

статистического анализа отдалённых результатов лечения, и 110 человек, больные собственно-клинического исследования - основная группа (Рисунок 24).

Анализ материала группы сравнения проведён с целью выявления характерных осложнений, встречающихся у этих пациентов как в ранний, так и в отдалённый послеоперационный период. Полученные данные использованы для создания алгоритма лечения пациентов с дефектами и деформациями нижней челюсти и внедрения новых конструкций, смоделированных индивидуально с применением стереолитографической технологии и новых технологических покрытий, эффективность которых испытана в ходе проведения лабораторных исследований.

Пациенты в исследовании

251

СКИ (Основная Архив(группа Всего

группа) сравнения)

Рисунок 24 - Соотношение пациентов основной группы и группы сравнения

Среди 251 обследованных, оперированных и наблюдавшихся больных мужчин было 146 (58,17%), женщин - 105 (41,83%).

Таблица 1- Распределение пациентов в исследовании по полу и возрасту

Пол Возраст, лет Всего

18-34 35-54 55-64 Старше 64 абс %

Мужчины 49 55 41 1 146 58,17

Женщины 25 42 37 1 105 41,83

Всего 74 97 78 2 251 100

В таблице отражено процентное соотношение мужчин и женщин основной группы и группы сравнения. Учитывая критерии включения и исключения, в клиническое исследование вошло всего 2 (0,08%) истории болезни людей старше 64 лет.

Для пациентов были выбраны критерии исключения для выполнения рассматриваемого оперативного вмешательства и показания для его осуществления.

Показания к выполнению оперативного вмешательства:

1) наличие обширного включенного дефекта нижней челюсти;

2) нарушение целостности ветви, угла и тела нижней челюсти, включая мыщелковый отросток;

3) наличие опухолевого процесса в проекции угла, тела и ветви нижней челюсти;

4) ограничение открывания рта (тугая подвижность, вызванная фиброзным или костным сращением суставных поверхностей ВНЧС);

5) невозможность пережёвывания пищи;

6) деформация нижней челюсти, асимметрия лица;

7) нарушение прикуса.

Критериями исключения для выполнения операции являлись:

1) тяжелые нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы;

2) тяжелая дыхательная недостаточность;

3) тяжелая почечная и/или печеночная недостаточность;

4) декомпенсированный сахарный диабет;

5) множественное метастатическое поражение органов и тканей;

6) заболевания внутреннего и среднего уха;

7) невралгия или невропатия V пары ЧМН;

8) проведения курса химиотерапии и лучевой терапии после операции по поводу злокачественной онкологии.

Рисунок 25 - Распределение пациентов по возрасту и пол

Из диаграммы на Рисунке 25 видно, что большинство пациентов находились в возрасте от 18 до 64 лет, то есть в подавляющим большинстве больные, включённые в исследование, являлись мужчинами и женщинами трудоспособного возраста.

Распределение пациентов по полу

Основная Группа

группа(СКИ) сравнения(архив)

■ мужчины ■ женщины

Рисунок 26 - Распределение пациентов по половому признаку

В диаграмме показано соотношение прооперированных и наблюдавшихся пациентов мужского и женского пола, включая истории болезни группы сравнения и основной группы. Большинство пациентов - мужчины, видимо, в связи с более травматичным образом жизни.

На первом этапе исследования проведен ретроспективный анализ 141 историй болезни пациентов, оперированных по поводу дефектов и деформаций нижней челюсти.

На следующем этапе проведено исследование клинической эффективности индивидуальных титановых конструкций с модифицированной поверхностью и адаптированных индивидуальных протезов суставных впадин, эффективность которых направлена на восстановление симметрии нижней зоны лица и функции нижней челюсти. Всего под наблюдением находилось 110 пациентов с различными дефектами.

Дефекты и деформации - результат развития патологического процесса или предшествующего оперативного вмешательства. У больных имели место дефекты костной ткани разной величины, при устранении которых были использованы различные металлоконструкции.

Распределение больных по нозологиям

54; 22%

94; 37%

Хронический, посттравматический и одонтогенный остеомиелит нижней челюсти Доброкачественные новообразования

Заболевания и повреждения

височно-нижнечелюстного

сустава

Другие формы заболеваний -остеонекроз

Рисунок 27 - Распределение больных по нозологиям

По данным группы контроля (архивный материал) и основной группы (собственного клинического материала), большинство больных поступало в клинику челюстно-лицевой хирургии с посттравматическим одонтогенным остеомиелитом и с доброкачественными опухолевыми заболеваниями нижней челюсти.

11 включенные деформации нижней челюсти

II дефекты мыщелкового отростка угла и тела нижней челюсти

III дефекты и деформации височно-нижнечелюстного сустава

Рисунок 28 - Распределение пациентов по локализации патологического процесса.

Первая группа - пациенты с включенными дефектами тела нижней челюсти размерами в пределах 3-8 см. Большая часть пациентов этой группы была прооперирована по поводу доброкачественных опухолевых образований.

Вторая группа пациентов характеризуется протяжёнными дефектами, распространяющимися на ветвь и тело нижней челюсти.

Характерные осложнения, которые возникают в этой группе на отдалённых сроках: дислокация или диспозиция конструкции эндопротеза, которая может привести к нарушению целостности кожных покровов и слизистой полости рта, хроническая травма слизистой полости рта и мягких тканей, что, в свою очередь, может привести к инфицированию ложа эндопротеза.

Титановые конструкции «разбивают» окружающие мягкие ткани вследствие различного модуля упругости титана и близлежащих тканей. В качестве буферной зоны, или «искусственной надкостницы», в ряде случаев применялась сетчатая конструкция из титанового шелка.

Третья группа включала пациентов с дефектами и деформациями височно-нижнечелюстного сустава: пациенты после анкилоза суставов и травматического остеомиелита, «высоких» травматических переломов мыщелкового отростка.

По структуре заболеваний наиболее часто встречались анкилоз, деформирующий артроз, дефекты ветви нижней челюсти после резекции нижней челюсти вследствие онкологических заболеваний, а также последствия травматических повреждений головки нижней челюсти.

Группа сравнения - локализация патологического

процесса

7,57%; 19

■ I Включённые деформации нижней челюсти

■ III Дефекты и деформации височно-нижнечелюстного сустава

■ II Дефекты мыщелкового отростка угла и тела нижней челюсти

Рисунок 29 - Распределение по локализации патологического процесса (группа сравнения)

Большая часть пациентов группы сравнения приходится на подгруппу II, пациенты с дефектами угла, тела и ветви нижней челюсти, 71 человек (28,28%). Вторая по величине подгруппа - пациенты с дефектами ветви, мыщелкового отростка и суставной впадины, 41(16,33%) от общего числа пациентов.

Рисунок 30 - Распределение по локализации патологического процесса (основная группа)

Разновидности эндопротезов из титана, использованные при пациентов группы сравнения, отражены в диаграмме на Рисунке 31.

лечении

Титановые конструкции при лечении в группе сравнения(архив)

■ Титановые конструкции для протезирования мыщелкового отростка

■ титановые конструкции серийного производства

Рисунок 31 - Титановые конструкции, применяемые при лечении больных (архивный материал, процентные соотношения приведены относительно общего числа эндопротезов для данной подгруппы

Эндопротезы, применяемые при лечении в основной

■ Индивидуальные титановые конструкции

^ Конструкции из титановой сетки

■ Эндопротезы из высокомолекулярных полимеров (хирулен)

■ Индивидуальные титановые конструкции для протезирования мыщелкового отростка

Рисунок 32 - Эндопротезы, применяемые при лечении больных диссертационного исследования (подгруппа собственно клинических исследований, процентные соотношения приведены относительно общего числа эндопротезов для данной подгруппы)

По данным диаграммы на Рисунке 31, по группе сравнения пациентам было установлено 130 титановых конструкций серийного производства. В основной группе (больные собственно-клинического исследования) количество установленных конструкций эндопротезов из титана составило 127 индивидуальных конструкций, при лечении данной группы пациентов в комплексе было введено 97 сетчатых компонентов. Что касается эндопротезов суставных впадин из высокомолекулярного полимера (хирулен), их число составило 51.

2.4.2 Клинические методы обследования

При поступлении пациента мы проводили тщательный сбор анамнеза, выясняли наличие предшествующих оперативных вмешательств. При описании местного статуса обращалось внимание на наличие подвижности фрагментов нижней челюсти; при осмотре проводился фотоанализ и оценивалась степень открывания рта больными. Проводилась клиническая оценка рубцовых деформаций мягких тканей нижней трети лица, наличие свищевых ходов, некротических зон. При оценке слизистой оболочки полости рта мы также обращали внимание на наличие рубцов, свищевых ходов, состояния зубных рядов и окклюзии. Санация зубов осуществлялась по показаниям в плановом объеме в период предоперационной подготовки. Также мы отмечали состояние слюнных желез и их выводных протоков. При наличии патологии ВНЧС проводилось УЗИ -исследование и определялся объём экскурсии головок нижней челюсти.

При подготовке к оперативному вмешательству с целью определения дальнейшей зубочелюстной реабилитации были проведены совместные консультации с ортодонтами, стоматологами-ортопедами. Проведены консультации оториноларинголога, при необходимости осуществлялось дальнейшее лечение профильным специалистом. В предоперационном периоде все пациенты были осмотрены терапевтом для уточнения способов проведения реабилитации.

2.4.3 Лабораторные методы исследования

Клинический анализ крови, биохимический анализ крови, общий анализ мочи, коагулограмму, также проводилась флюорография. Мы уточняли наличие сопутствующих заболеваний, нарушений системы гомеостаза. При наличии сопутствующей патологии пациенты были проконсультированы профильными специалистами, назначалось дальнейшее корректирующее лечение для подготовки к плановой операции.

2.4.4 Рентгенологические методы исследования

Ортопантомография (ОПГ, ОПТГ) являлась основным видом рентгенологического исследования и проводилась на этапе первичного осмотра, на этапах лечения и в ходе контрольных осмотров спустя 1,3,6,12 месяцев после оперативного вмешательства. ОПТГ выполняли на рентгеновском аппарате ПМ 2002 CC «Proline» при мощности 60кВт, 10 Ма, время выдержки 10 сек.

Также при поражении ВНЧС мы проводили зонограммы в боковой проекции в привычной окклюзии и при широко открытом рте пациента.

При локализации процесса в центральном отделе нижней челюсти использовали панорамные рентгенограммы челюстей в прямой проекции с увеличением.

Для уточнения зоны резекции нами проводилось конусно-лучевое компьютерное томографическое исследование зоны дефекта на компьютерном томографе Hi/SpeedDX/J с интервалом 1 мм, поле охвата 13-55 см, стандартное пространственное разрешение 0.55 мм, пространственное разрешение в режиме высокого разрешения 0.30 мм.

Мультиспиральная компьютерная томография проводилась на аппарате «Somatom Sensation» Siemens, представляющем оценить динамику лечения и состояние различных имплантируемых конструкций.

Дальнейший компьютерный анализ проводился на аппарате AdvantageWorkstation фирмы SunMicrosystem с установленной на ней программой 3D моделирования VolumeAnalysis.

2.4.5 Метод индивидуального ЭБ-моделирования

эндопротезов

Аппаратное обеспечение данного метода состоит в наличии компьютерного томографа для исследования костей лицевого скелета (исследование проводилось на базе рентгенологического отделения клиники УКБ№2, УКБ№4). Укладка больного для исследования дефекта осуществлялась по стандартной методике исследования головы. Исходной точкой сканирования являлась область ушного козелка. Область сканирования распространялась от нижнего края нижней челюсти до середины лобной кости, что давало возможность учитывать все антропометрические данные и пропорции лица пациента.

Изготовление стереолитографической модели проводилось на базе научно-производственного объединения «КОНМЕТ».

С помощью лазерной стереолитографии трехмерный объект синтезируется из жидкой фотополимеризующейся композиции. Процесс формирования горизонтальных сечений предварительно преобразовывает описание 3D-модели будущего объекта из формата STL-файла в совокупность послойных сечений с требуемым шагом 0,5 мм по высоте, массив которых записывается в исполнительный файл с расширением SLI.

После завершения 3D сканирования дальнейший анализ осуществлялся на аппарате SunMicrcosystem при использовании компьютерной программы VolumeAnalysis («объемный анализ»). В этой программе мы реализовывали следующие задачи:

1) Определялись геометрические размеры имеющегося дефекта и необходимых параметров резекции нижней челюсти.

2) Далее при определении границ резекции смоделированный участок дефекта

схематично удалялся.

3) На полученном 3D изображении формировался прообраз будущего титанового эндопротеза для замещения дефекта. При этом учитывались необходимые антропометрические и геометрические данные, моделировка проводилась в соответствии с учетом симметричности участка нижней челюсти с противоположной стороны. Конвертирование проводилось из формата DICOM в формат DXG или DXF, осуществлялось графическое изменение формы эндопротеза для восполнения дефекта по параметрам эстетических и функциональных требований.

4) На основании полученного изображения создавался стереолитографический файл в виде ПВХ-модели эндопротеза, далее при помощи трехмерного компьютерного моделирования и обработки данных объемного прототипирования в соответствии с ранее изготовленной стереолитографической моделью производилось изготовление индивидуального титанового эндопротеза с заранее установленными точками фиксации нижней челюсти.

5) После изготовления индивидуальной титановой конструкции на высококалибровочном оборудовании проводится модифицирование поверхностного слоя.

6) Изготовление модели на установке лазерной стереолитографии включает в себя следующие этапы:

1. Проведение 3D сканирования соответствующей зоны на компьютерном томографе

2. Визуализация аксиальных срезов в формате DICOM

3. Акцентирование зоны интереса на выделенных томограммах

4. Создание трехмерных моделей в STL формате

5. Изготовление пластиковых моделей при помощи установок лазерной стереолитографии ЛС-120, ЛС-250.

При наличии артефактов, то есть ошибок реконструкции, необходимо было редактировать каждый срез отдельно. Такие ошибки были вызваны наличием объектов высокой плотности (например, металлических коронок в полости рта).

Они визуализировались в виде артефактов - полос. Также одним из условий высокого качества изображения является способность сканера различать малые несоответствия контрастностей объектов. Это свойство важно при построении тонких стенок.

Также необходимо разделять части моделей друг от друга, например, в случае выдвижений нижней челюсти. Для этого удаляется область пересечений верхней и нижней челюсти на всех КТ-срезах.

Серия аксиальных срезов трансформируется в трехмерную модель формата STL и планируется в программе Materialise Mimics.

После создания трехмерной модели определяется граница дефекта и планируется объем резекции при непосредственном участии оперирующего хирурга. Взаимодействие оперирующего хирурга и инженера-программиста осуществлялось при помощи компьютерной программы TeamViewer в условиях видеоконференции либо лично. Инженер-программист, не имеющий медицинского образования, однако, обладающий необходимым программным обеспечением, в случае необходимости мог выполнять технические рекомендации хирурга-оператора в условиях удаленного доступа.

После утверждения результата трехмерная модель может быть напечатана путем стереолитографии.

В ходе формирования индивидуального эндопротеза уделяли внимание следующим принципам:

1. В области стыка или в зоне контакта эндопротеза и фрагмента челюсти должно осуществляться плотное прилегание;

2. По возможности необходимо восстановить непрерывность контуров нижней челюсти;

3. Положение эндопротеза должно обеспечить условия для последующей ортопедической реабилитации и протезирования пациента;

4. Необходимо максимальное соответствие изгибов эндопротеза и противоположного участка нижней челюсти.

Модели и эндопротезы после обработки попадают в клинику при помощи курьерской службы в течение нескольких дней. Их стерилизуют путем газовой стерилизации либо автоклавирования при температуре 120оС.

Рисунок 33 - Различные стереолитографические модели нижней челюсти. Планируемые зоны резекции (А) отмечены красным цветом

А - Стереолитографическая модель нижней челюсти, зона поражения справа. Б - Стереолитографическая модель нижней челюсти, дефект вследствие развития доброкачественного опухолевого процесса слева.

2.4.6 Предоперационная подготовка хирургических и позиционных

Для получения соответствия параметров дефекта для последующего замещения эндопротезом были спроектированы специальные хирургические шаблоны. Шаблоны классифицированы следующим образом: шаблоны для позиционирования и шаблоны для резекции эндопротеза (Рисунок 34).

Б

стерелитографических шаблонов

Рисунок 34 - Вид виртуальной модели для позиционирования эндопротеза мыщелкового отростка и суставной впадины после компьютерной обработки перед изготовлением стереолитографических моделей эндопротеза

Шаблоны позиционирования изготавливались таким образом, чтобы их внутренняя поверхность была конгруэнтна наружной поверхности участка нижней челюсти, на которую они накладывались (Рисунок 35).

Рисунок 35 - Полный позиционный шаблон височно-нижнечелюстного сустава из полимера, определяющий зону фиксации эндопротеза суставной впадины и мыщелкового отростка. Форма внутренней поверхности позиционного шаблона соответствует рельефу наружной поверхности ветви нижней челюсти. Такие структуры, как угол и симфиз нижней челюсти, были включены в проект, что уменьшило вероятность ошибки позиционированного шаблона

Рисунок 36 - Резекционные шаблоны для мыщелкового отростка ВНЧС

В каждом шаблоне нами предусматривалось одно или более отверстие для фиксации шаблона к кости. В области данных отверстий были изготовлены металлические втулки для исключения возможности попадания внутрь кости ПВХ-стружек при сверлении шаблона. Фиксация осуществлялась винтами диаметром 2мм, винт должен был свободно проходить через данное отверстие, выполняя удерживающую функцию. Шаблоны для резекции ветви челюсти и мыщелкового отростка планировались для точных распилов на кости, формирования минимального зазора между эндопротезом и костной тканью и исключения возможности рецидива поражения.

Шаблоны привозили в клинику при помощи курьерской службы в течение нескольких дней. Стерилизация осуществлялась путем газовой стерилизации либо автоклавированием при температуре 121о по Цельсию.

2.4.7 Электромиография (ЭМГ), как метод оценки функционального состояния жевательных мышц при эндопротезировании ВНЧС

Электромиография (ЭМГ) - это диагностический метод, посредством которого специалисты оценивают функциональное состояние скелетных мышц и окончаний периферических нервов. Оценка происходит по уровню их электрической активности. Электромиографию жевательных и височных мышц проводили в отделении функциональной диагностики ФГБУ НМИЦ «ЦНИИСи ЧЛХ» МР, зав отделением д.м.н. профессор Кречина Е.К.

Пациентам с патологией ВНЧС определяли биоэлектрическую активность жевательных мышц перед проведением операции, в раннем послеоперационном периоде, а также через три месяца, полгода и год после операции.

Методика даёт возможность регистрировать биоэлектрическую активность через кожные покровы. При проведении исследования использовали поверхностные стандартные электроды, располагавшиеся в области исследуемых мышц. Электроды фиксировали к коже лейкопластырем, предварительно обезжирив поверхность кожи спиртом и нанеся на неё

токопроводящую электродную пасту "Экогель" (Рисунок 37).

Рисунок37 - Пациентка при проведении ЭМГ в височной и жевательной зоне четырьмя электродами. Заземляющий электрод фиксировали на нижней трети предплечья

Больным основной группы клинического исследования с посттравматическими повреждениями и поражениями на дооперационном и послеоперационном этапе проводили электромиографическое исследование височных и жевательных мышц с целью определения динамики процесса реабилитации.

При анализе электромиограмм оценивали количественные характеристики амплитуды биоэлектрической активности (БЭА). Изучали напряжение жевательных мышц при пробе «сжатие» в сроки 1, 3, 6, 12 месяцев. При пробе «сжатие» сравнивали Амакс, мкВ, амплитуды биопотенциалов жевательных мышц. Степень восстановления симметрии электрического потенциала жевательных мышц показывает коэфициент симметрии Md/Ms.

2.4.8 Математическое моделирование влияния циклических нагрузок на эндопротез ВНЧС, состоящий из мыщелкового отростка из титана и

суставной впадины из хирулена

В качестве объекта испытания были представлены:

1 - Мыщелковый отросток нижней челюсти из титана (в дальнейшем мыщелок).

2 - Суставная впадина из хирулена.

Под абсолютной силой жевательных мышц понимают напряжение, развиваемое мышцей при максимальном сокращении(Рисунок 38). Абсолютная сила жевательных мышц, поднимающих нижнюю челюсть, с правой или левой стороны составляет 120-190 кг (E. Weber).

За среднее значение нагрузок, возникающих в височно-челюстном суставе, при максимальном напряжении жевательных мышц, было определено 160кг

Рисунок 38 - Графическое изображение суставной впадины и мыщелкового отростка ВНЧС в разрезе

Электромеханическая испытательная машина LFM-50 фирмы Walter and Bai (Швейцария). Параметры 0 - 50 кН, скорость нагружения 0-500 мм/мин. Вращение 60 об/мин. Точность измерения 0,5 %.(Рисунок 39).

(1,6кН).

Скуловая дуга (в разрезе)

Мыщелок

Рисунок 39 - Внешний вид испытательной установки LFM-50

Таблица 2 - Характеристики испытываемого сверхвысокомолекулярного полимера, аналога костной ткани

Свойства Значение Единицы измерения

Модуль упругости 18350 Н/м2

Модуль сдвига 0,68 Н/м2

Предел прочности при растяжении 300 Н/м2

Массовая плотность 242 Н/м2

Предел прочности при сжатии 300 Н/м2

В качестве материала суставной впадины применен материал сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности с пределом прочности на разрыв 40 (±3) мПа (ГОСТ 57390-2017), по своим физическим свойствам максимально соответствующий костной ткани.

Рисунок 40 - Внешний вид и изображение нагрузок на поверхность мыщелкового отростка (А) и на суставную впадину (Б)

Целью испытания являлось оценка состояния мыщелкового отростка и

суставной впадины на соответствие требованиям международного стандарта ЛБТМ Б2077-03 (устойчивость при усталостных испытаниях в условиях моделирования нагрузки, превышающей нагрузки, встречающиеся в височно-нижнечелюстном суставе при экстремальных условиях). Условия проведения испытаний

Нормальные климатические условия по ГОСТ 15150-69:

температура воздуха - 18 °С, относительная влажность 64 %, атмосферное давление 98 кПа (745 мм рт. ст.).

Схема нагружения образцов в испытуемом блоке отражена на Рисунке 41.

Рисунок 41 - А - Внешний вид закреплённого в испытательной машине образца перед испытанием; Б - Схема испытательной машины и процесса усталостных испытаний

Первый этап исследования проводился с учётом предельной физиологической нагрузки(силы), развиваемой мышцами, поднимающими нижнюю челюсть на одной стороне, значение которой принимали за 160 кг/см2(1,6кН).

Согласно требованиям стандарта ЛБТМ Б2077-03 проводили 5 серий экспериментов. Образец нагружали 9000 раз с частотой 5 циклов в 1 сек. Значения нагрузки устанавливали 0%, 20%, 40%, 60%, 80%,100% от предельной.

Рисунок 42 - График зависимости количества испытательных циклов и силы, действующей во время каждого цикла в %, исследования в пределах физиологической нагрузки

Второй этап исследования осуществлялся в условиях максимальной нагрузки. По требованиям стандарт ЛБТМ Б2077-03 проводилось 5 серий экспериментов (ТаблицаЗ). Нагрузку производим 9000 раз с частотой 5 циклов в 1 сек.

Испытания прекращаются, если испытуемый объект разрушился. Этапы нагрузки проводятся с учетом коэффициента Я>10, Я - коэффициент, определяющий отношение максимальной к минимальной нагрузке, начинаются с предельной нагрузки 160кг (1,6кН) и прекращаются при достижении максимальной нагрузки в 1600кг (1,6кН).

Таблица 3 - Нагрузка на этапах эксперимента

Образец R Сила кг (кН)

1 0 160(1,6кН)

2 2,5 520(5,2кН)

3 5 880(8,8кН)

4 7,5 1240(12,4кН)

5 10 1600(16кН) =(Л>10 *160)

В таблице отражено действие нагрузки на образцы с учётом коэффициента R (коэффициент, определяющий отношение максимальной к минимальной нагрузке).

Рисунок 43 - Усреднённый график зависимости результатов состояния суставной впадины (красным цветом) и состояния мыщелкового отростка (чёрным цветом) от количества циклов, испытываемых данным объектом на максимальных нагрузках

Таблица 4 - Повышение нагрузки на сусиавной эндопротез

Мыщелок (обр.) Нагрузка(кг) Количество циклов Результат

1 160 9000 Выдержано

2 420 9000 Разрушение

3 710 0 Разрушение

4 1240 0 Разрушение

5 1600 0 Разрушение

Из таблицы видно, что при нагрузке 420 кг происходит разрушение мыщелкового отростка. Таблица 5 - Максимальная нагрузка на суставную впадину

Скуловая дуга (обр.) Нагрузка(кг) Количество циклов Результат

1 160 9000 Выдержано

2 420 9000 Выдержано

3 710 9000 Разрушение

4 1240 9000 Разрушение

5 1600 9000 Разрушение

Из таблицы видно, что при нагрузке 710 кг происходит разрушение суставной впадины.

Согласно данным таблиц 4 и 5, мыщелковый отросток выдержал предельную нагрузку в 420кг, после чего последовало разрушение (перелом кости).

Стенки суставной впадины выдержали предельную нагрузку в 710кг, при этом вначале было истирание кости, затем трещины, затем разрушение (перелом).

Как следует из эксперимента, конструкция прошла полный цикл испытаний на осевое сжатие без отказа, что говорит о пригодности математического моделирования для описания влияния статической нагрузки на эндопротез суставной впадины ВНЧС.

Предел прочности мыщелка из титана и суставной впадины из хирулена в несколько раз превышает предельные нагрузки, возникающие в нижнечелюстном суставе.

2.4.9 Методы статистического анализа

В зависимости от характера распределений использовались ^критерий Стьюдента или и- критерий Манна-Уитни. При невозможности применить парный ^тест для зависимых выборок, в работе использовался его непараметрический аналог - критерий Вилкоксона.

Для непрерывных величин приведены: среднее значение (М) и стандартное отклонение (SD), или медиана (Мед), верхняя (ВКв) и нижняя квартили (НКв) распределения в зависимости от типа распределения исследуемой величины. Гипотеза о нормальном распределении изучаемого показателя проверялась с использованием критерия Шапиро-Вилка. Для статистического описания связи между различными параметрами вычислялся коэффициент ранговой корреляции Спирмена.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Результаты металлографических исследований титановых конструкций, покрытых слоем диоксида титана структуры анатаз

На сегодняшний день в качестве исходного материала для эндопротезов, накостных титановых пластин, имплантируемых медицинских изделий используют титановый сплав Ti6Al4V (Grade5). В нашем исследовании использованы конструкции из титанового сплава Ti6Al4V (Grade5) в виде дисков диаметром 5 мм и толщиной 1мм. Свойства биологической адаптации титановых конструкций существенно зависят от микрорельефа поверхности, поэтому использовались образцы титановых дисков с различной механической и химической обработкой поверхности и с различной степенью шероховатости.

3.1.1 Результаты нанесения диоксида титана TiO2 структуры анатаз, на титановые конструкции методом атомно-слоевого осаждения

В данной подглаве изложены результаты исследования оптической, атомно-силовой микроскопии титановых образцов серийного производства завода КОНМЕТ. Контрольные образцы по своей структуре соответствуют титановым конструкциям, используемым в медицине и в челюстно-лицевой хирургии.

Анализ шероховатости поверхности проводился на всех исследуемых скэффолдах, причем измерения проводились на трех различных участках образца. Результаты измерений шероховатости поверхности скэффолдов с различной обработкой поверхности обобщены в Таблице 6.

СОП (световая оптическая микроскопия)

Рисунок 44 - Фотографии, выполненные на оптическом микроскопе. Поверхность титановой конструкции серийного производства завода «КОНМЕТ», контрольный образец. А - увеличение 50, Б - 500

Исследование титановых дисков контрольных образцов на электронносиловом микроскопе (СЭМ) иллюстрировано Рисунком 45.

Рисунок 45 - Поверхность титановой конструкции серийного производства, сканирующая электронная микроскопия; А - увеличение 15, Б - увеличение 100 (СЭМ)

Исследование профиля шероховатости образцов до и после нанесения диоксида титана проводили на сканирующем зондовом микроскопе MFP-3D SA (AsylumResearch, USA),(Рисунок 46).

Ш \

Рисунок 46 - Вид титановой поверхности образца серийного производства, СЗМ. 3D Топография. Цифровые значения в нанометровом диапазоне, 1нм соответствует 10- 3 мкм

Рельеф поверхности титановой конструкции серийного производства до нанесения и после нанесения диоксидатитана

Характерное снижение пиков шероховатости и сглаживание профиля шероховатости (Рисунок 47).

А

Б

Рисунок 47 - А - Данные профилометрии титановой поверхности серийного производства Я^=0,064 мкм и Rt=0,420 мкм.

Б - Данные профилометрии титановой поверхности образца серийного производства после нанесения диоксида титана Ra= 0,053 мкм и Rt=0,340 мкм.

Изменение шероховатости под воздействием покрытия анатаз. Контрольные образцы.

500 0

средняя шероховатость Ка

макс. Амплитуда И, нм

■ контроль «контроль с анатаз

Рисунок 48 - Данные параметров шероховатости на контрольных образцах, без модифицирования поверхности

3.1.2 Результаты металлографических исследований титановых образцов после пескоструйной обработки с последующим нанесением диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения

Исследование шероховатости после пескоструирования с применением световой оптической микроскопии (СОП), Рисунок 49.

Рисунок 49 - Макро- и микрофотографии оптического изображения пескоструированной поверхности титановых конструкций А - увеличение 15, Б -100

Исследование шероховатости поверхности после пескоструирования с последующим нанесением покрытия диоксида титана структуры анатаз методом атомно-слоевого осаждения (Рисунок 50).

1а

Б

Рисунок 50 - СЭМ. А - поверхность титановой конструкции после пескоструйной обработки, увеличение 45; Б -диск титанового образца с пескоструированой поверхностью после покрытия диоксидом титана структуры анатаз методом атомно-слоевого осаждения, увеличение 100

Характерная особенность: после покрытия диоксидом титана меняется оттенок.

Топография поверхности после пескоструирования с последующим нанесением диоксида титана, СЗМ (сканирующая зондовая микроскопия). Объёмные изображения поверхности титанового диска после пескоструирования. Рисунок 51.

А

Б

Рисунок 51 - СЗМ. Топография поверхности титановых дисков после пескоструирования

А - пескоструированная поверхность до нанесения диоксида титана, значение шероховатости Rt = 4,189мкм, Ra = 0,551 мкм

Б - параметры шероховатости после нанесения диоксида титана Ш = 4,162мкм и Яа = 0,511 мкм

При покрытии диоксидом титана наблюдается некоторое сглаживание амплитуды шероховатости за счет сглаживания максимальных и минимальных пиков значений Я и Яа, однако, результат не может считаться статистически достоверным.

Экспериментальные диски и полученные на них профили после пескоструирования и покрытия диоксидом титана были исследованы на сканирующем зондовом микроскопе для определения высоты профилей (Рисунок 52-53).

Рисунок 52 - Профиль поверхности пескоструированной конструкции.

Данные параметров профиля шероховатости на пескоструированных конструкциях, значение данных Ra=0,551 мкм и Rt=4,189 мкм

Рисунок 53 - Профиль поверхности пескоструированной конструкции после покрытия диоксидом титана ТЮ2методом атомно-слоевого осаждения

При проведении профилометрии (ЭЗМ) разброс пиков составляет Rt =4,162мкм (максимальная высота профиля), ^=0,511 (средняя шероховатость).

Результаты исследования профиля шероховатости на пескоструированных образцах показывают, что среднее арифметическое абсолютных значений отклонения высоты профиля Я в пределах длины исследования L имеет значительную разницу со средним значением контрольных образцов (Рисунок 54).

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Параметры шероховатости после пескоструирования в сравнении с контрольными образцами

I контроль

контроль с анатаз

пескостуйная обработка

пескостуйная обработка с анатаз

средняя макс. Амплитуда И

шероховатость Ка

Рисунок 54 - Сравнительная характеристика профилей шероховатости титановых поверхностей после пескоструирования, с покрытием диоксидом титана и без, и профилей контрольных образцов

3.1.3 Результаты металлографических исследований титановых образцов после химического травления с последующим нанесением покрытия диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения

СОМ (световая оптическая микроскопия) образцов после химического травления (Рисунок 55).

А

Б