Ветеринария / 1.

д.в.н. Анников В.В.¹, к.т.н. Родионов И.В.², к.т.н. Бутовский К.Г.²,

асп. Фролова О.Н.¹

Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова¹

Саратовский государственный технический университет²

Экспериментальное исследование остеокондуктивных свойств газотермических оксидных покрытий на чрескостных фиксаторах

Внешняя фиксация отломков трубчатых костей с использованием металлофиксаторов (нержавеющие стали, сплавы титана, тантала, циркония) аппаратов остеосинтеза является эффективным, малоинвазивным методом лечения больных с переломами и другими костными патологиями как в гуманной, так и ветеринарной медицине (Г.А. Илизаров, 1974; Л.А. Анкин, 1985; И.Б. Самошкин, 1989; О.В. Бейдик, 2002; В.В. Анников, 2006). В тоже время при спицевой, а также стержневой чрескостной фиксации доля возникающих воспалительных осложнений составляет существенную величину, что связано с ограниченными остеоинтеграционными качествами поверхности фиксаторов. По данным А.А. Лебедева расшатывание остеофиксаторов отмечалось в 60% от числа проведенных наблюдений, в работе М.Е. Мюллера и др. указывается на появление осложнения вокруг фиксаторов в виде остеопороза с последующим инфицированием имплантационой зоны в 10-30% операционных случаев. Исследованиями Г.Д. Никитина отмечены явления металлоза, пристержневого остеомиелита и образование кисты кости в 10% операций, выполненных с применением чрескостных фиксаторов.

Одним из путей решения данной проблемы является применение металлофиксаторов с биосовместимыми керамическими покрытиями, способными обеспечить высокий уровень интеграции поверхности с окружающими тканями. В качестве таких покрытий часто используются кальцийфосфатные соединения, биостекло, биоситаллы, углеродные материалы, однако методы их нанесения характеризуются повышенной технологической сложностью.

В последние годы развиваются исследования по разработке и созданию оксидных покрытий на остеофиксаторах с целью придания им способности к интеграции с биотканями и обеспечения высокой приживляемости [1,2]. Это связано с тем, что многие известные биокерамические материалы для покрытий являются дорогостоящими, не всегда доступны и требуют разработки специальных методов синтеза. В данных условиях металлооксидные покрытия могут считаться альтернативой широко распространенным кальцийфосфатным покрытиям и характеризоваться более рациональным подходом при изготовлении чрескостных фиксаторов с остеоинтеграционными качествами. Принципиальной особенностью при этом является образование покрытия за счет химического или электрохимического взаимодействия поверхностных слоев металла с окислительной технологической средой без какого-либо нанесения дополнительных имплантационных материалов. Поэтому целью работы является обоснование целесообразности применения оксидных покрытий на остеофиксаторах путем исследования их основных качеств биосовместимости – коррозионной стойкости и остеоинтеграционной способности.

Методика исследования

Опытные остеофиксаторы представляли винтовые стержни из биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72), обладающей необходимой биомеханической совместимостью. Стержни изготавливались путем токарной обработки и подвергались пескоструйной обдувке поверхности для удаления загрязняющих слоев и создания исходной микрошероховатости. Формирование оксидных покрытий проводилось в электропечи сопротивления с использованием двух способов химико-термической обработки: воздушно-термического и паротермического оксидирования.

При воздушно-термическом оксидировании фиксаторов применялись воздушная атмосфера в печи и температуры обработки 400, 500, 600, 700⁰С с продолжительностью 0,5 ч при каждой температуре. Паротермическое оксидирование выполнялось при температуре 550⁰С и выдержке 2 ч в атмосфере перегретого водяного пара.

Коррозионное поведение опытных фиксаторов изучалось путем моделирования их взаимодействия с электролитом, имитирующим жидкую биосреду, при помощи специально подготовленной лабораторной установки. Электролит представлял изотонический 0,9%-й раствор хлористого натрия с величиной рН=7,4, отвечающий химическому составу плазмы крови и тканевой жидкости. Оценка коррозионного поведения поверхности стальных фиксаторов производилась по величине установившегося электродного потенциала Е_с, поскольку он характеризует термодинамическую устойчивость поверхности в условиях протекания электрохимической коррозии.

Указанная методика применялась для измерения потенциалов поверхности у трех опытных фиксаторов каждой из следующих серий: 1 – токарная обработка; 2 – пескоструйная обдувка; воздушно-термическое оксидирование при температурах: 3 – 400⁰С; 4 – 500⁰С; 5 – 600⁰С; 6 – 700⁰С; 7 – паротермическое оксидирование при температуре 550⁰С.

Потенциалы Е_с измерялись как до клинических испытаний остеофиксаторов с их установкой в кости животным, так и после проведения клинических испытаний с удалением фиксаторов из костей. Изменение потенциала и анализ вида поверхности фиксаторов после клинических испытаний использовались для оценки их остеоинтеграционных качеств.

Клинические испытания опытных фиксаторов проводились на кроликах 9-ти месячного возраста с живой массой 4,5-5,0 кг, которые были разделены на 7 опытных групп по 3 животных в каждой. Номер опытной группы животных соответствовал номеру опытной серии фиксаторов, полученных различными способами обработки. Клинические эксперименты не противоречили Европейской биомедицинской этике и приказу МЗ СССР №755 от 12.08.1977г.

После выполнения флексионного перелома большой берцовой кости в области средней трети диафиза, в отломках просверливались каналы для вворачивания фиксаторов. Учитывая, что прочностные характеристики кости на разных участках ее длины имеют существенные отличия, фиксаторы каждой опытной серии устанавливались как в метафизарные, так и в диафизарные участки костей животных.

Фиксирующие элементы вворачивались вручную с помощью рукоятки из комплекта аппарата Г.А. Илизарова, после чего проводилась закрытая репозиция отломков. Их внешняя фиксация выполнялась в аппарате, состоящем из кронштейнов и многодырчатой планки. В постоперационный период всем животным проводилась превентивная антибиотиковая терапия цефазолином, санация зоны контакта «фиксатор – кость» 3%-м раствором перекиси водорода, а также выполнялись клинические и гистологические исследования.

Клиническая оценка остеоинтеграционных качеств опытных фиксаторов проводилась путем выявления характеристик состояния животных, включающих регистрацию температуры организма, поведение животных, опороспособность конечности, микроподвижность фиксаторов, реакцию животных на прижатие фиксаторов, а также по уровню сопротивления вывертыванию фиксаторов.

После удаления фиксаторов из костей проводились микроскопические исследования гистосрезов границы ткани с фиксатором в гистоморфологических лабораториях Саратовского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии (СарНИИТО) и областной детской больницы г. Саратова.

Результаты исследования и их анализ

В течение первой недели после операции существенных отличий в состояние животных всех опытных групп не отмечалось. У 7-ми животных регистрировалось повышение температуры до 39,2⁰С в течение 3-х суток, отказ от корма и воды отмечался в течение 2-х суток у 12-ти животных. Опороспособность на оперированную конечность наблюдалась уже на следующие сутки, которая в дальнейшем не нарушалась.

При локальном обследовании всех животных отмечалась ярко выраженная картина воспаления в зоне «фиксатор – кость» уже через сутки после операции, что проявлялось в виде отечности и гиперемии мягких тканей, их болезненностью при пальпации. Однако не наблюдалась микроподвижность фиксаторов и, как следствие, отсутствовало смещение отломков, что свидетельствует о высоком качестве выполненной операции.

В первые четверо суток у 8-ми животных была отмечена незначительная экссудация из-под остеофиксаторов, которая прекратилась без дополнительных лечебных воздействий. Данное явление может быть обусловлено мацерацией мягких тканей, возникающей при вворачивании остеофиксаторов в кость.

По истечении первой недели эксперимента клиническая картина, характеризующая состояние животных, существенно изменилась, что связано с влиянием вида газотермического оксидного покрытия фиксаторов и его свойств на окружающие биоструктуры.

У животных 3 и 4 групп практически исчезли симптомы воспаления мягких тканей – гиперемия и отечность. Пальпация тканей не вызывала беспокойства животных, микроподвижность фиксаторов отсутствовала. Инфильтрация кожи на границе с фиксатором исчезла, что обусловлено нормализацией гемодинамики в зоне контакта «фиксатор – кость» за достаточно короткое время.

У кроликов 1, 2 и 7 групп также отмечалась положительная динамика в состоянии мягких тканей на границе с фиксаторами. Однако малозаметная отечность, слабая гиперемия и незначительная экссудация из-под фиксаторов могут свидетельствовать о некотором раздражении тканей в зоне контакта с поверхностью изделий, обработанных резцом, пескоструйной обдувкой и паротермическим оксидированнием при температуре 550⁰С.

У животных 5 и 6 групп при осмотре оперированных конечностей уже через трое суток после операции отмечался значительный синюшный отек, болезненность мягких тканей с последующей экссудацией, перешедшей затем в гнойную. При микроскопическом исследовании отделяемого были обнаружены фрагменты металлооксидов из состава покрытий, полученных путем воздушно-термического оксидирования при температурах 600 и 700⁰С. Животные этих групп были вялые, сидели скученно, давление на фиксаторы вызывало их беспокойство. Через неделю после операции пали двое животных 6 опытной группы и одно животное 5 группы. Данные результаты свидетельствуют о низкой прочности оксидного покрытия на фиксаторах, из-за чего произошло отделение его частиц, развитие на металлической поверхности коррозионных процессов, инфицирование ткани в зоне контакта с последующей гибелью животных.

Изменения состояния тканей вокруг фиксаторов, а также положения аппаратов остеосинтеза на конечностях животных всех опытных групп, выявленные через месяц после операции, связаны со свойствами поверхности фиксаторов, обработанных различными способами.

Состояние животных 3 и 4 групп характеризовалось отсутствием воспалительных реакций окружающих тканей и отделяемого вокруг фиксаторов как в метафизарных, так и в диафизарных отделах кости. Общее состояние животных было удовлетворительным, они охотно принимали корм и воду, активно передвигались. Давление на аппарат остеосинтеза в целом и на каждый фиксатор в отдельности не вызывали негативной реакции животных, что свидетельствовало об отсутствии некроза и формировании костной мозоли.

У животных остальных опытных групп к этому времени отмечалась экссудация из-под фиксаторов, более заметная в метафизах, а у животных 5 группы она наблюдалась и в диафизах. При этом небольшая подвижность аппаратов, регистрируемая как пальпаторно, так и визуально, вызывала беспокойство животных.

Вышеуказанная тенденция сохранилась и на момент окончания эксперимента – по истечении 45 суток. Для извлечения фиксаторов из костей животных 3 и 4 групп было необходимым применение ключа. У животных 1, 2, 7 групп фиксаторы из диафизарных отделов вывертывались также ключом, из метафизов – вручную. Из костей животных 5 и 6 групп фиксаторы вывертывались вручную без значительного сопротивления.

Отсутствие воспалительных осложнений у животных 3 и 4 групп в ранний постоперационный период (7 суток), отсутствие микроподвижности фиксаторов в отдаленный период (45 суток), необходимость применения ключа для вывертывания фиксаторов по окончании эксперимента могут служить клиническим свидетельством наличия остеоинтеграционных качеств у оксидных покрытий, полученных воздушно-термической обработкой при температурах 400 и 500⁰С.

При исследовании коррозионного поведения стальных чрескостных фиксаторов, обработанных различными способами, установлено, что все значения коррозионных потенциалов Е_с поверхности находятся в отрицательной электродной области (табл.). Однако наименьшими отрицательными значениями потенциала поверхности после клинических испытаний, а значит повышенной коррозионной устойчивостью в жидких биосредах, обладают фиксаторы с покрытием, полученным воздушно-термическим оксидированием при температурах 400 и 500⁰С (серия 3, 4).

Таблица

Изменение коррозионного потенциала стальных остеофиксаторов, обработанных различными способами, до и после 45 суток клинических испытаний

№ опытной серии	Вид обработки поверхности		Температура модельного раствора (0,9% NaCl. рН=7,4), ^0С
			25		30		35		40		45
			Потенциал поверхности Ес, В (н.х.с.э)
			до исп.	после исп.	до исп.	после исп.	до исп.	после исп.	до исп.	после исп.	до исп.	после исп.
1	Подготовка	Токарная	-0,095	-0,161	-0,083	-0,159	-0,072	-0,160	-0,066	-0,162	-0,058	-0,159
2		Пескоструйная	-0,085	-0,146	-0,076	-0,145	-0,066	-0,144	-0,054	-0,154	-0,042	-0,154
3	Воздушно-терм. оксидирование, τ = 0,5 ч, t, ^0С	400	-0,349	-0,092	-0,350	-0,103	-0,352	-0,108	-0,351	-0,109	-0,351	-0,107
4		500	-0,359	-0,103	-0,365	-0,104	-0,372	-0,099	-0,380	-0,086	-0,414	-0,078
5		600	-0,362	-0,152	-0,364	-0,152	-0,387	-0,158	-0,402	-0,154	-0,412	-0,167
6		700	-0,375	-0,196	-0,407	-0,152	-0,415	-0,130	-0,424	-0,151	-0,435	-0,133
7	Паротерм. оксидирование, t = 550^0С, τ = 2 ч		-0,343	-0,145	-0,339	-0,151	-0,335	-0,153	-0,333	-0,154	-0,332	-0,154

В целом, коррозионное поведение фиксаторов с газотермическими оксидными покрытиями до и после клинических испытаний характеризуется смещением коррозионного потенциала в более положительную электродную область благодаря образованию на поверхности покрытий тонкой пленки белковых структур, формирующейся при функционировании фиксаторов в организме и повышающей их защитные свойства (табл.).

При исследовании внешнего вида извлеченных остеофиксаторов было установлено, что фиксаторы без оксидного покрытия не имеют на поверхности следов интеграционного взаимодействия с костной тканью. Фиксаторы с покрытиями, полученными воздушно-термическим оксидированием при 400 и 500⁰С, а также паротермическим оксидированием при 550⁰С, содержат на поверхности фрагменты кости различного размера, что свидетельствует о наличии у таких покрытий определенной остеокондуктивности (рис.1.). Это связано с тем, что сформированные воздушно-оксидные и парооксидные покрытия обладали поверхностной структурой, физико-химическими и механическими свойствами, создавшими необходимые условия для протекания их эффективной остеоинтеграции без появления ярко выраженных иммунных реакций тканей. Оксидированные фиксаторы успешно адаптировались в организме с образованием прочной взаимосвязи с окружающей костью, характеризовались отсутствием подвижности и смещений при функционировании.

Рис. 1. Оксидированные остеофиксаторы из стали 12Х18Н9Т с фрагментами костной ткани после клинического испытания: а, б – с покрытием, полученным воздушно-термическим оксидированием при t=400 и 500⁰С, τ =0,5 ч, соответственно (серия 3, 4); в – с покрытием, полученным с паротермическим оксидированием при t=550⁰С, τ =2,0 ч (серия 7)

Покрытия, созданные воздушно-термическим оксидированием фиксаторов при температурах 500 и 600⁰С, не обеспечили интеграционного взаимодействия с окружающей костной тканью, не проявили остеокондуктивной способности.

Данные клинического наблюдения и результаты проведенных коррозионных испытаний подтверждены гистологическими исследованиями костной ткани на границе с фиксаторами. В частности, при гистологических исследованиях костной ткани были выявлены следующие изменения: в образцах, полученных от животных 1 группы, кость была представлена компактной 1 и губчатой тканями, трабекулы значительно склерозированы, местами расширены; в зоне введения фиксатора отмечались очаги дегенерации кости, разрастание фиброзной ткани с наличием фибробластоподобных клеток, участки скопления остеобластов с умеренной пролиферацией, очаговое скопление лимфоцитов, а также плазмоцитов, что может свидетельствовать о подостром характере воспаления 2 (рис.2).

В образцах костей животных 2 группы костная ткань была представлена губчатой и компактной структурами с умеренно склерозированными трабекулами. В зоне введения фиксаторов было заметно наличие очагов подострого воспаления, при этом отмечалось присутствие молодого волокнистого хряща, что свидетельствует о формировании молодой костной ткани 1 (рис.3).

В образцах костей от 3 и 4 групп животных выявлено наличие трабекул 1 губчатой костной ткани местами склерозированых, но полнокровных. В месте введения остеофиксатора есть тонкая фиброзная ткань 2 с фибробластами и остеобластами. Признаки воспаления отсутствуют, имеется разрост соединительной ткани, что является признаком начала протекания остеогенеза (рис.4).

В образцах костей 5 и 6 группы лабораторных животных губчатая костная ткань содержала умеренно склерозированные полнокровные трабекулы 1 (рис.5). В зоне контакта с остеофиксатором имелся разрост соединительной ткани с очагами подострого воспаления (лимфоциты, сегментоядерные лейкоциты в небольшом количестве) 2, наблюдались дегенерация и присутствие фрагмента молодого хряща.

В образцах животных 7 группы отмечалось наличие губчатой костной ткани 1 с несколько расширенными и склерозированными трабекулами. На границе контакта с фиксатором имелся очаг фиброзной ткани 2 с очагово выраженной клеточной инфильтрацией, представленной, в основном, лимфоцитами и сегментоядерными лейкоцитами 3. Кроме того, наблюдались скопления остеобластов с умеренной пролифирацией, что свидетельствует о возникновении острого воспаления (рис.6).

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что необходимым уровнем биосовместимости и выраженной остеоинтеграционной способностью обладают металлооксидные покрытия стальных фиксаторов, созданные воздушно-термическим оксидированием при температурах 400 и 500⁰С с продолжительностью 0,5 ч. Данные покрытия проявили наибольшую остеокондуктивность и повышенную коррозионную устойчивость при клинических испытаниях.

Выводы

1. Выполненными исследованиями доказана целесообразность применения чрескостных фиксаторов из стали 12Х18Н9Т с оксидными покрытиями, полученными газотермическим оксидированием.

2. Путем проведения гистологических исследований установлено, что наличие в губчатой ткани гистосрезов полнокровных, незначительно склерозированных трабекул, а на границе с остеофиксатором молодой фиброзной ткани с присутствием большого количества изобилующих фибро- и остеобластов, свидетельствует о высоком уровнем остеокондуктивных свойств у покрытий стальных чрескостных фиксаторов, созданных воздушно-термическим оксидированием при температурах 400⁰С, 500⁰С и продолжительности 0,5 ч.

Литература

1. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В., Хапрова Т.С., Фролова О.Н. Биоинтеграционные качества термооксидных покрытий чрескостных стержневых металлофиксаторов при клинических испытаниях // Наукоемкие технологии. №8. Т.9, 2008. С. 57-66.

2. Родионов И.В. Термооксидные покрытия остеофиксаторов из стали 12Х18Н9Т, полученные воздушно-термическим оксидированием // Инженерная физика. №6, 2008. С. 56-64.