Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы. 17
1.1. Костная пластика дефектов нижней челюсти. 17
1.1.1. Костная пластика аллогенными трансплантатами . 17
1.1.2. Костная пластика аутотрансплантатами. 21
1.1.3. Синтетические биостабильные материалы для костной пластики. 23
1.1.4. Биокомпозитные синтетические материалы. 27
1.1.5. Углеродные полимерные материалы (углеродопласты) возможность их применения. 32
1.1.6. Углеродные волокна и свойства углепластиков. 35
1.1.7. Заключение. 45
Глава 2. Материалы и методы исследования. 47
2.1. Материалы для лабораторного исследования. 47
2.1.1. Полиметилметакрилат. 47
2.1.2. Гидроксиапатит (ГАП) синтетический: свойства и характеристика материала. 47
2.1.3. Углеродное волокно: свойства и характеристика материала. 48
2.2. Получения экспериментальных образцов. 48
2.3. Лабораторные методы исследования. 50
2.3.1. Методика испытания на изгиб. 50
2.3.2. Метод определения удельной ударной вязкости. 51
2.3.3. Определение краевого угла смачивания. 51
2.3.4. Исследование процесса полимеризации методом микрокалориметрии. 52
2.3.5. Методика определения вязкости растворов полимеров. 53
2.4. Клинические методы исследования. 54
2.4.1. Характеристика клинического материала. 54
2.4.2. Методы обследования пациентов. 56
2.4.3. Изготовление индивидуальных композитных эндопротезов, армированных непрерывными углеродными волокнами, для реконструкции нижней челюсти у детей. 58
2.4.4. Морфологическое изучение окружающих мягких тканей и кости эндопротез «Карбопол» (отдаленные результаты). 59
Глава 3. Результаты лабораторных исследований. 61
3.1. Особенности строения и свойства полимерной матрицы материала «Карбопол». 61
3.2. Исследование процесса полимеризации композитов сополимера полиметилметакрилата методом калориметрии. 66
3.3. Подготовка волокон к армированию. 71
3.4. Физико-механические показатели образцов «Этакрил» + гидроксиапатит, армированных углеродными волокнами из полиакрилонитрильных волокон 73
3.4.1. Влияние количества углеродных волокон из полиакрилонитрильных волокон на ударную вязкость. 73
3.4.2. Прочность на изгиб образцов «Этакрил» + гидроксиапатит, армированных углеродными волокнами из полиакрилонитрильных волокон 74
3.5. Физико-механические показатели образцов «Этакрил» + гидроксиапатит, армированных углеродными волокнами из вискозных волокон. 75
3.5.1. Влияние структуры углеродного волокна из вискозных волокон, полученного при химио- и термообработке при 1000С и 2200С и количества армирующих нитей на ударную вязкость образцов «Этакрил» + гидроксиапатит 75
3.5.2. Влияние структуры углеродного волокна из вискозы на предел прочности при изгибе армированного композита «Этакрил» + гидроксиапатит + углеродное волокно из вискозных волокон. 77
3.6. Влияние модификации композиции «Этакрил» + гидроксиапатит + углеродное волокна на физико-механические показатели армированных образцов.79
3.7. Влияние «дефектов» в армированных образцах на физико-механические свойства. 81
3.8. Характер излома образцов, армированных углеродными волокнами различной природы. 87
3.9. Влияние стерилизации армированных имплантатов путем кипячения на их физико-механические свойства. 89
3.10. Рекомендации по армированию минерал – полимерных имплантатов углеродными волокнами . 91
Глава 4. Собственные клинические исследования. 97
4.1. Костно-пластические операции на нижней челюсти с использованием армированных композитных эндопротезов. 97
4.1.1 Общая характеристика клинического материала. 97
4.2. Костная пластика мыщелкового отростка нижней челюсти армированными композитными эндопротезами при анкилозирующих заболеваниях височно-нижнечелюстного сустава. 102
4.3. Реконструкция нижней челюсти армированными композитными эндопротезами при дефектах ветви после лечения вторичного деформирующего остеоартроза. 110
4.4. Реконструкция нижней челюсти армированными композитными эндопротезами после удаления новообразований. 115
4.5. Применение армированных композитных эндопротезов при лечении больных с синдромом первой и второй жаберных дуг. 123
4.6 Результаты морфологического исследования, окружающих эндопротез мягких тканей после его удаления . 127
Обсуждение результатов исследования. 131
Выводы. 139
Практические рекомендации. 140
Список литературы. 142
- Костная пластика аллогенными трансплантатами
- Особенности строения и свойства полимерной матрицы материала «Карбопол».
- Рекомендации по армированию минерал – полимерных имплантатов углеродными волокнами
- Результаты морфологического исследования, окружающих эндопротез мягких тканей после его удаления
Костная пластика аллогенными трансплантатами
В детской челюстно-лицевой хирургии в середине и конце 20 века широкое распространение приобрели аллотрансплантаты, полученные от специального донора стерилизованные и консервированные различными способами [19, 23, 27, 28, 33, 34, 48].
Аллотрансплантаты медленнее рассасываются в период детского возраста, а преобладание процессов костеобразования над процессами резорбции позволяет рассчитывать на построение полноценного репаративного регенерата.
В клинической практике с начала 60-х годов широкое распространение получили аллотрансплантаты лиофилизированные и замороженные, которые применялись при реконструктивных операциях на костях у детей. Множество исследовательских работ, как отечественных, так и зарубежных авторов посвящено этому вопросу [7, 28, 34, 35].
Н.А.Плотников при анализе отечественных источников экспериментально доказал, что также, как и аутотрансплантат, лиофилизированная аллокость замещается полноценным регенератом. Проанализировав результаты костно пластических операций на нижней челюсти у 749 взрослых с использованием лифилизированного трансплантата, автор сделал вывод, что лиофилизированная аллокость может успешно применяться при реконструктивных операциях на нижней челюсти, так как обладает хорошими остеоиндуктивными качествами [34, 35, 38, 39, 41].
Н.Н.Каспарова для создания дистальной опоры при пластике ветви нижней челюсти у детей с органическими поражениями височно-нижнечелюстных суставов рекомендовала использовать кортикальные трансплантаты из проксимального отдела бедренной кости [24].
С.А.Ульяновым (1990 г.) при костно-пластических операциях на нижней челюсти из 138 трансплантатов использовал 97 кортикальных трансплантатов, консервированных различными способами: формалинизированных в 0,5% растворе формалина – 43, замороженных – 40, лиофилизированных – 14.
По мнению А.А.Колесова, С.В.Дьяковой, С.А.Ульянова (1988, 1999, 1999) для пластики нижней челюсти у детей лиофилизированные и замороженные аллотрансплантаты являются незаменимым материалом. Они отмечают, что у детей до 10-12 лет при пластике дефекта нижней челюсти целесообразно использовать кортикальные трансплантаты из большеберцовой и бедренной кости, как обладающие хорошими остеоиндуктивными свойствами, высокой биомеханической прочностью, более доступные при заготовке пластического материала и хорошо моделирующиеся [19, 41].
Внедрение в практику деминерализованных костных трансплантатов является крупным достижением в реконструктивно-восстановительной хирургии, которое заняло прочное место в арсенале костно-пластических средств.
Деминерализованные трансплантаты получили широкое применение в ортопед-травматологической практике [20, 21, 36, 41].
А.Г.Мунин и соавторы (1990) описали применение ДКТ при хирургическом лечении детей с хроническим остеомиелитом длинных трубчатых костей.
Хорошие результаты достигнуты при применении ДКТ в краниопластике [20]. Деминерализованная кость использована при хирургическом лечении пародонтитов (В.П.Туманов и соавт., 1998).
П.Г.Сысолятин (1987) при костной пластике дефектов нижней челюсти протяженностью от 0,5 до 16 см у 30 больных использовал поверхностно деминерализованные трансплантаты.
Были сформулированы критерии качества аллогенных тканей:
Аллотрансплантат должен обладать достаточной механической прочностью.
Материал должен длительно храниться.
Подготовка к трансплантации не должна требовать сложного технического оснащения.
Материал, из которого готовится трансплантат, должен быть доступным.
Трансплантат должен функционировать в возможно более ранние сроки после операции.
Аллотрансплантат должен отвечать эстетическим требованиям [1, 17, 18, 19,25, 31, 33, 35].
Исход костно-пластических операций, таким образом, во многом зависит от выбора трансплантационного материала, что особенно важно при отсроченной и повторной костной пластике, когда утрачена надкостница, нередко сформированы из других участков тканей, плохо васкуляризированы, а также мягкие ткани ложа рубцово изменены [3, 9, 38, 48].
Учитывая предъявляемые к трансплантату требования, за последние годы, как в клинике, так и в эксперименте изучаются возможности применения различных комбинированных трансплантатов [16, 38, 46, 59, 67, 68]. К ним относятся кортикальные трансплантаты или поверхностно-деминерализованные органотипичные, обладающие более выраженной остеоиндуктивной активностью [35].
Апробированный и разработанный кортикальный деминерализованный трансплантат с использованием изолирующих прокладок объединяет положительные качества различных видов аллокости: возможность принимать форму отсутствующего фрагмента кости, остеоиндуктивные свойства, достаточную механическую прочность, заданную при наложении изолирующих прокладок, [35].
Многие авторы в клинике и в эксперименте с появлением синтетического гидроксиапатита стали его применять при реконструкции костей.
L. B. Kabfn, S. Giowacki (1990) в эксперименте на животных исследовали реакцию костной ткани по отношению композитному материалу, состоящему из деминерализованной кости и гидроксиапатита в соотношении 4:1 и к керамическому ГАП. Доказано, что композитные имплантаты, состоящие из ГА в соотношении 4:1 и деминерализованной кости за счет ДКТ обладают остеоиндуктивными свойствами, в то время как ГАП сохраняет объем и форму имплантата.
I.M. Pinholt, C.Bang, H.R. Haanes (1991), изучали влияние гидроксиапатита при имплантации его в комбинации с костным субстратом на рост и увеличение кости [78].
Haers P. E., van Straaten W., Stoelinga P.J., de Koomen I. A., BlydorpP. A. (1991), используя комбинированные трансплантаты, состоящие из кортикальной кости в сочетании с аутогенной костной стружкой и частицами ГАП, проводили контурную пластику нижней челюсти у 92 взрослых пациентов. Отмечено восстановление высоты и объема атрофированной нижней челюсти и благоприятный эстетический эффект. Комбинированный трансплантат, в состав которого входит ГАП, авторы рекомендуют применять для контурной пластики.
О.З. Топольницкий (1994) при отсроченной и повторной костной пластике нижней челюсти и замещении дефектов нижней челюсти у детей в возрасте от 3 до 16 лет применял комбинированные трансплантаты в виде аллогенной формалинизированной, лиофилизированной кости в сочетании с гидроксиапатитом и деминерализованным матриксом.
Особенности строения и свойства полимерной матрицы материала «Карбопол».
Полимерная матрица армированного материала определяет его основные целевые свойства и, в первую очередь, биостабильность и биосовместимость.
Исследование композиции «Этакрил» + ГАП, выбранной в качестве полимерной матрицы, свидетельствует о ряде особенностей, обусловливающих ценные эксплуатационные показатели.
Значительным достоинством этой полимерной системы является то обстоятельство, что она «унаследовала» все технологические преимущества, характерные для мономер-полимерной композиции «Этакрил», в первую очередь, способность получать изделия сложного профиля заливкой наполненной композиции в форму «по выплавляемой модели» с последующей термической обработкой при 100С (в кипящей воде). Кроме этого, твердость и модуль упругости полимерной основы (полиметилметакрилата) имеет высокие показатели (Нв 12 МПа, Е 3 ГПа), что обусловливает саму возможность использования композита в качестве имплантата.
Кроме «унаследованных» положительных качеств от «Этакрила», введение ГАП обусловило ряд новых специфических свойств.
Наличие в полимерной системе гидроксиапатита (ГАП), как и ожидалось, привело к резкому улучшению биосовместимости. Кроме того, как свидетельствуют экспериментальные данные, полимерная система «Этакрил» + ГАП имеет целый ряд положительных особенностей, обусловивших ее успешную возможность использования в клинической практике.
Основным моментом, определяющим особенности свойств композита, является получение полимерной наполненной системы по методике «синтеза полимера на наполнителе». Это связано с тем, что в процессе изготовления исходной смеси наиболее подвижной жидкой фазой является мономер метилметакрилат (ММА), который сорбируется на наполнителе. Затем, в ходе дальнейших технологических операций, происходит полимеризация ММА при контакте с поверхностью порошка ПММА, что обусловливает ряд особенностей полученного композита.
Во-первых, подобный способ при соблюдении технологических режимов позволяет реализовать активную сорбцию функциональных карбонильных групп полимерана положительно заряженной поверхности ГАП за счет атомов Са. Это приводит к высокой адгезии частиц ГАП к полимерной матрице «Этакрила». Действительно, проведенное электронноптическое исследование сколов полученного композита показало отсутствие выкрашивания частиц наполнителя из полимерной матрицы на сколах при разрушении образцов.
Следует указать, что такая высокая адгезия в системе «полимер – наполнитель» реализуется только в мономер – полимерной системе «Этакрил» + ГАП и утрачивается в механической смеси.
Это может быть доказано и сравнением показателя предела прочности на изгиб (см. табл. 7.) образцов, полученных путем полимеризации мономера (ММА) на наполнителе («Этакрил» + ГАП) и механической смеси полиметилметакрилата с тем же количеством ГАП, где взаимодействие полимер – наполнитель, осуществляется в расплаве полимера.
Результаты, приведенные в таблице 7, свидетельствуют, что, несмотря на близкие показатели предела прочности при изгибе обоих полимеров («Этакрил» и ПММА), показатель наполненного «Этакрила» несколько выше, что свидетельствует о высокой адгезии продукта полимеризации полимера на наполнителе. Следует, однако, указать, что причины высоких механических показателей были неясны, и для их выяснения в данной работе было проведено специальное исследование процесса полимеризации ММА в наполненной полимерной системе.
Результаты, приведенные в таблице 7, свидетельствуют, что, несмотря на близкие показатели предела прочности при изгибе обоих полимеров («Этакрил» и ПММА), показатель наполненного «Этакрила» несколько выше, что свидетельствует о высокой адгезии продукта полимеризации полимера на наполнителе. Следует, однако, указать, что причины высоких механических показателей были неясны, и для их выяснения в данной работе было проведено специальное исследование процесса полимеризации ММА в наполненной полимерной системе.
Значимой особенностью композиции «Этакрил» + ГАП, также во многом определяемой «полимеризацией на наполнителе», является формирование поверхности изделия, обладающей особой структурой. Как показали экспериментальные данные по смачиванию, введение ГАП создает особый характер взаимодействия поверхности изделия и воды. В отличие от исходного полимера («Этакрила»), где величина краевого угла смачивания (КУС) остается практически неизменной в течение всего эксперимента (8минут), введение ГАП приводит к заметному снижению этого показателя при увеличении продолжительности опыта, особенно после кипячения (см. рис.5).
Электроннооптическое исследование поверхности дает основание полагать, что этот эффект, весьма значимый для биосовместимых материалов, связан с образованием вокруг частиц ГАП, где происходят полимеризационные процессы, особой граничной зоны, в которой, несмотря на высокую адгезию образовавшегося полимера к наполнителю, одновременно имеются и мельчайшие поры. Появление микропор, возможно, связано с усадочными явлениями после образования полимера в граничном слое. При контакте с водой микропоры, благодаря капиллярному эффекту и высокой величине свободной поверхностной энергии ГАП, как бы «втягивают» воду внутрь образца.
Это новый, необычный для полимеров, эффект, который реализуется в системе «Этакрил» + ГАП обусловливает возможность контакта живой ткани и ГАП на поверхности и в массе полимерного материала и, тем самым способствует улучшению биосовместимости имплантата.
Строение образцов композита «Этакрил» + ГАП обусловливает и особенность их поведения при стерилизации водой при кипячении. В отличие от большинства полимеров и полимерных систем, у которых при кипячении физико-механические свойства заметно ухудшаются, в этом материале свойства после кипячения практически не изменяются, либо несколько улучшаются.
Это связано с тем обстоятельством, что кипящая вода, проникая в микропоры, обусловливает два эффекта. Происходит отмывка и экстрагирование растворимых и незаполимеризованных веществ, в первую очередь остатков ММА, что, объективно, должно приводить к ухудшению физико-механических показателей. Однако, одновременно, происходит и иной процесс. Остающаяся, сорбированная в микропорах вода способна образовывать водородные связи с ПММА и играть пластифицирующую роль в полимерной системе. Этот процесс оказывает положительное влияние на физико-механические показатели.
Рассмотренные особенности строения и свойств свидетельствуют, что в композите «Этакрил» + гидроксиаппатит реализуется не простая механическая смесь двух компонентов, а создается полимерная наполненная система, обладающая новыми качествами и особым комплексом свойств, показатели которых не аддитивны по сравнению с составляющими компонентами.
Следует отметить и другие, технологически важные особенности полученного композита, среди которых наиболее важным является возможность получения «градиентных» изделий, состав которых, а, соответственно, и свойства изменяются в желательном хирургу направлении. При этом важным фактором является достижение такого значимого эффекта относительно простыми доступными методами.
Так, наиболее часто в клинической практике использовались изделия – имплантаты нижней челюсти, в которых ГАП вводили только в основную зону контакта, а «сустав» изготавливался из ненаполненного «Этакрила». Подобное «конструирование» имплантата непосредственно под руководством хирурга создает новые возможности для творческого применения не только гидроксиапатита, но и различных других наполнителей, модификаторов, лекарственных и бактерицидных добавок, причем не по всему объему, а в желаемом хирургу месте. Таким образом, система «Этакрил» + ГАП является удачным материалом благодаря комплексу физико-химических особенностей, строению и структуре поверхности, технологии получения, возможности использования современных методов очистки и модификации и новым путям создания «градиентных» имплантатов, в которых направленно, при изготовлении, регулируется состав материала по периметру и объему заготовок.
Из приводимого экспериментального материала видно, что для улучшения свойств композита необходимо исследовать процесс полимеризации мономера в сложной композиции с целью создания ударопрочного материала на основе ПММА.
Рекомендации по армированию минерал – полимерных имплантатов углеродными волокнами
С целью улучшения биохимических параметров, а следовательно придания надёжности в послеоперационном периоде, проводится армирование композитных эндопротезов углеродными нитями.
Мономер-полимерная композиция подготавливается по обычной методике (см. экспериментальную часть).
Углеродное волокно предварительно обрабатывается с целью удаления апрета – замасливателя. В зависимости от типа апрета отмывка проводится кипящей водой, либо органическими растворителями.
Количество армирующих нитей регламентируется как поставленной задачей, так и временем перехода мономер – полимерной композиции в высоковязкое состояние.
Наибольший эффект от армирования достигается при укладке волокна с интервалом 1,2 – 2 мм. Так, имплантат шириной 7 – 8 мм может содержать от 4-х до 8-ми армирующих нитей.
При этом, как можно видеть из прилагаемых фотографий (рис. 15 и 16), второй слой армирующих нитей удается уложить достаточно ровно с нужным интервалом как между нитями второго слоя, так и относительно расположения нитей первого слоя.
Прилагаемые фотографии (рис. 17 и 18) являются прозрачными моделями армированного углеродными нитями «Этакрила», не содержащего ГАП, в котором, как это показано выше, процессы полимеризации проходят быстрее, чем при введении наполнителя
В результате формируется конструкция полимерного имплантата, равномерно заполненная армирующими нитями.
В среднем, на площади поперечного сечения 7x6 мм2 укладывается до 3 - 4 нитей. В зависимости от предназначения армируемого имплантата, количество армирующих нитей может изменяться и т. д.
На рис. 17 (а, б) приведены фотографии двух прозрачных, не содержащих ГАП образцов «Этакрила», армированного волокнами УВИС. Эти фотографии демонстрируют возможности более сложных схем армирования, чем простая параллельная двухслойная конструкция.
В зависимости от задачи может быть сформировано решетчатое (а) либо петлеобразное (б) армирование.
На рис. 18 приведены фотографии прозрачного, не содержащего ГАП образца «Этакрила» как примера возможностей равномерной двухслойной армировки углеродными нитями УВИС, которую можно оценить простым визуальным методом.
Образец имеет размеры 60 х 15 х 6 мм. Особенно четко двухслойность армирования просматривается на торце образца и сбоку. Можно видеть, что в каждом из двух слоев по ширине образца (15 мм) уложено по 8 нитей.
Слои расположены достаточно параллельно, как это показывает вид сбоку, на всем протяжении образца. Фрагмент вида сверху демонстрирует возможности армирования. В зависимости от задачи, экспериментатор может расположить нити практически попарно, изменить между ними расстояние, либо не доводить армирующую нить до торца образца.
Результаты морфологического исследования, окружающих эндопротез мягких тканей после его удаления
При замещении дефектов нижней челюсти у детей эндопротезами функционально-эстетический эффект оценивали, как высокий. Однако, с возрастом, когда происходит рост, наступают деформации, связанные с недоразвитием нижней челюсти на стороне поражения, особенно при челюстно-лицевых микросомиях, а также анкилозирующих заболеваниях височно-нижнечелюстных суставов. В данном случае после обследования возникает необходимость замены эндопротеза по размеру, соответствующему возрасту. Возможно удаление эндопротеза и проведение одномоментной костной пластикой дефекта свободным аутотрансплантатом с последующей дистракцией.
При удалении эндопротеза отмечалась плотная фиксация к воспринимающему ложу, в поры врастали фрагменты в виде костных шипиков, фиксация стабильная. В 4-х случаях между эндопротезом и воспринимающим ложем отмечалась прослойка соединительной ткани, фиксация, по большей мере, осуществлялась при помощи фиксирующих винтов. В большинстве случаев и отмечались костные напластовывания вокруг эндопротеза, охватывающие и плотно соединяющие по всей поверхности и частично. Костная ткань обычной окраски, плотная, напоминающая кортикальную пластинку. Окружающие ткани без видимых изменений, хорошо кровоснабжаются, вдоль самого эндопротеза и вокруг него отмечается относительно плотная соединительно-тканная капсула, напоминающая надкостницу. Капсула интимно спаяна с окружающими мягкими тканями бледно-розового цвета, свободно отделяющаяся от поверхности эндопротеза. При извлечении эндопротеза отмечалось сформированное мягкотканное воспринимающее костное ложе. У всех пациентов были взяты фрагменты для морфологического изучения окружающих тканей.
Морфологическое изучение препаратов мягких тканей и костной ткани проводилось на кафедре патологической анатомии МГМСУ, заведующий кафедрой профессор Заратьянц О.В. Окраска проводилась гематоксилином и эозином с изучением в световом микроскопе под увеличением х 50 и 200 раз.
Во всех описанных случаях в окружающих мягких тканях определяется выраженный гиалиноз стромы и хроническое очагово-распространённое слабовы-раженное продуктивное воспаление, в части случаев с формированием гранулем «инородных тел» с наличием гигантских многоядерных клеток рассасывания.
В костных тканях, прилегающих к имплантату, во всех описанных случаях выявляется признаки умеренно выраженной очаговой резорбции, с фокусами реактивного остеогенеза, местами напоминающего иррегуляторный остеоид при фиброзной дисплазии. В одном из случаев выявляется активная костная резорбция с наличием клеток остеокластического ряда.
Данные морфологического исследования пациентки П. 6 лет. В 1 год резекция нижней челюсти после удаления миксоидной фибромы с одномоментной костной пластикой дефекта эндопротезом «Карбопол». В 6 лет по данным КТ-исследования по ходу эндопротеза возник регенерат костной ткани, напоминающий ветвь и тело нижней челюсти. Проведена операция по удалению эндопротеза, который был плотно спаян и интегрирован с телом нижней челюсти. Фрагменты прилегающей кости и мягкотканного ложе отправлены на морфологическое исследование, а в области вновь образованного регенерата наложен компрессионно-дистракционный аппарат.