Експериментальні дослідження виконані на білих лабораторних щурах популяції Вістар (ДУ “ІПХС АМНУ”) віком від 3 до 12 міс. та живою вагою 380-400 г на початок експерименту. Загальна кількість експериментальних тварин – 63. Вивчали морфологічні зміни у кістковій тканині при імплантації вуглецевого матеріалу у губчасту кістку (9 тварин віком 3 місяці).
Операції на тваринах виконували під загальним тіопенталовим наркозом. Після обробки операційної зони спиртовим розчином йоду робили розтин шкіри й здійснювали доступ до дистального метафіза стегнової кістки (латерально). За допомогою стоматологічного бора (діаметр 2 мм) моделювали кістковий дефект, в якому розташовували вуглецевий стержень. Рану обробляли антибіотиками й пошарово ушивали. Щурів виводили з експерименту через 40, 70 та 115 діб після хірургічного втручання шляхом передозування тіопенталу натрію. Для гістологічних досліджень видаляли фрагменти стегнових кісток з ділянками імплантації.
Морфологічну оцінку біосумісності вуглецевого матеріалу та його накопичення у віддалених органах та тканинах проводили при підшкірній імплантації 10 лабораторним щурам (3-6-місячного віку) вуглецевого матеріалу у вигляді циліндрів (діаметр 8 мм, висота 4 мм). Контролем служили інтактні тварини. Для гістологічного дослідження вилучали легені, тимус, нирки та печінку, фрагменти шкіри з зоною імплантації.
Відпрацювання методики з’єднання кісткових відламків в експерименті на тваринах та дослідження накопичення вуглецевого матеріалу у віддалених органах та тканинах при комбінованому внутрішньокістково-накістковому розташуванні імплантатів було виконано на 44 білих щурах лінії Вістар 12-місячного віку. Щурів виводили з експерименту через 12 місяців після операції, препарували та у зразках печінки, легенів, селезінки та мозку після спеціальної обробки для гістологічного дослідження візуально визначали наявність або відсутність фрагментів вуглецю.
Експерименти на тваринах проводили відповідно до правил Європейської конвенції захисту хребетних тварин, що використовуються в експериментальних й інших наукових цілях.
Результатами морфологічних досліджень доведено біологічну інертність ВВКМ, відсутність токсичної дії на навколишні та віддалені тканини. Доведено, що ВВКМ не накопичується у внутрішніх органах і не перешкоджає перебігу звичайних біологічних процесів, не викликає запальних процесів ані у кістці, ані у м’яких тканинах, ані у судинах навколо місця імплантації.
Дослідження електрохімічної взаємодії вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу з металевими фіксаторами оцінювали за ефективністю гальванопар, що утворюються при контакті різнорідних матеріалів у рідкому середовищі. В якості основного критерію інтенсивності утворюваних гальванопар було прийнято значення контактного струму. У якості матеріалу для виготовлення імплантатів для остеосинтезу досліджували: вуглецевий матеріал, нержавіючу сталь 12Х18Н10Т, титановий сплав ВТ6 і нікелід титану TiNi як у стаціонарних умовах, так і при депасивації (знятті поверхневого шару з імплантату шляхом тертя), а також при нанесенні на імплантати різних захисних покриттів, що ізолюють матеріал, з якого виготовлено імплантат. Для цього наносили на імплантати ізолююче покриття у вигляді: нітридів алюмінію й титану (відповідно AlN та TiN), оксидів алюмінію та титану (Al2O3 та TiO2) й алмазоподібні вуглецеві плівки (АВП) (рис.1).
Вимірювання електрорухової сили (ЕРС) і струмів різних варіантів контактних гальванопар, утворених за участю ВВКМ й металевих матеріалів з покриттям (табл. 1), підтверджує їх інертність як у стаціонарному стані, так і при механічній депасивації поверхні. Порівняно з аналогічними контактами ВВКМ з вихідними матеріалами інтенсивність функціонування гальванопар конструкцій з покриттями зменшується та практично падає до нуля.
Таблиця 1
Електрохімічні характеристики контактних гальванопар
| Матеріал | Стаціонарніумови | Депасивація анода | |||
| Катода1) | анода1) | I, мкА | ЕРС, В | I, мкА | ЕРС, В |
| 12X18H10T | 12X18H10T+ Al2O3 | 0 | -0,07 | 0 | 0,06 |
| ВТ6 | ВТ6+AlN | 0 | -0,05 | 0 | 0,04 |
| 12X18H10T+AlN | 12X18H10T+AlN | - | - | 0 | 0,02 |
| ВТ6 | ВТ6+TiN | 1 | -0.03 | 6®3 | 0,27 |
| ВТ6+TiО2 (АВП) | ВТ6+TiО2 (АВП) | - | - | 1 | 0,02 |
| ВТ6+TiО2 (АВП) | ВВКМ | 0 | 0,13 | 0 | 0,13 |
| ВВКМ | ВТ6 | 2 | 0,17 | 30 | 0,62 |
| ВВКМ | ВТ6+TiN | 1 | -0,04 | 3 | 0,27 |
| ВВКМ | ВТ6+АУП | 1 | -0,042 | 1 | -0,03 |
| 1) Позначення полярності електродів справедливе при позитивних значеннях ЕРС. | |||||
Таким чином, встановлено, що покриття на основі Al2O3, TiO2, AlN та АВП ефективно знижують електрохімічну активність металевих матеріалів при терті поверхні (механічній депасивації), в результаті чого контактні струми гальванопар зменшуються в 10-20 разів.
Отже, доведено принципову можливість сумісного використання вуглецевих імплантатів з металевими виробами для остеосинтезу, зокрема із захисним ізолювальним покриттям. Вивчено вплив різних видів функціонально-захисних покриттів на електрохімічну активність металевих імплантатів, що контактують з вуглець-вуглецевими композиційними матеріалами.
Найефективнішими та стійкими виявилися захисні алмазоподібні покриття. Таким чином, доведено принципову можливість сумісного використання імплантатів з ВВКМ та металевих імплантатів, зокрема із захисним покриттям.
Проведені дослідження дали підставу для обґрунтування довготривалого перебування вуглецевого матеріалу в організмі людини, і саме цей матеріал обрано в якості імплантаційного. Розроблено оригінальну конструкцію імплантату (рис.2) та оригінальну модель заміщення сегментарних дефектів довгої кістки (рис.3) з різними варіантами з’єднання кісткових відламків (рис.4).
Можливості розробленої моделі заміщення сегментарного дефекту довгої кістки перевірено математичними розрахунками. Використано математичне моделювання методом кінцевих елементів на об’ємній моделі стегнової кістки. Модель побудовано у вигляді тривимірного об’єкта з максимальним відтворенням анатомічних особливостей стегнової кістки. Виконані дослідження напружено-деформованого стану (НДС) розробленої моделі заміщення сегментарного дефекту кістки при різних методах з’єднання кісткових відламків.
Дослідження передбачали вивчення НДС при з’єднанні кісткових фрагментів імплантатом, що мав:
– циліндричну форму проксимального і дистального кінців внутрішньокісткового стержня;
– конусну форму обох кінців (з конусністю 5 і 10°);
– верхній циліндричний та нижній конічний кінець внутрішньокісткового стержня;
Проведені дослідження довели, що використання імплантату з різними формами кінців внутрішньокісткового стержня (верхнім циліндричним та нижнім конічним кінцями) зменшує напруження у найважливіших для довготривалої роботи імплантату зонах моделі, а саме: у зоні контакту спейсера з кортикальною частиною кістки та у зоні контакту кортикальної кістки з металевим гвинтом. Результати моделювання показали, що напруження в цілому вище у нижній частині імплантату, ніж у верхній. Ця тенденція зберігається у всіх без винятку моделей, що аналізувалися. Різниця стосується тільки величини напружень, але принципова картина розподілу напружень майже не міняється. Це дало нам підставу вважати доцільним «розвантаження» зони контакту нижньої частини імплантату з кісткою. Для розвантаження зон контакту кістки та імплантату доцільно використати накісткові вуглецеві або металеві пластини із захисним покриттям, що на порядок підвищить жорсткість фіксації і дозволить раннє навантаження кінцівки практично без обмежень.
Розроблені способи з’єднання кісткових відламків та заміщення післярезекційних дефектів пройшли клінічну апробацію в Державній установі “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” та Інституті травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету ім. М.Горького МОЗ України. Результати клінічної апробації свідчать про те, що при використанні запропонованих методик оперативного лікування хворих з патологічними діафізарними переломами стегнової кістки клінічні ознаки зрощення (можливість одноопорного стояння) відзначаються вже до 3-х місяців з моменту операції. Швидко відновлюються рухи в кульшовому і колінному суглобах оперованої кінцівки, активізація хворих можлива вже з другого-третього дня після операції. З цього моменту можлива ходьба на милицях з дозованою опорою на оперовану кінцівку, що, безумовно, є хорошим показником при переломах стегнової кістки у хворих старшої вікової групи та знесилених онкологічних хворих.
Використання вуглецевих імплантатів у якості замінника кісткової тканини успішно витримало клінічну апробацію у хворих з пухлинними ураженнями плечової та стегнової кісток. ВВКМ добре показав себе при різних варіантах використання: при сумісному використанні ВВКМ з металевими фіксаторами за оригінальними методиками заміщення сегментарних дефектів кістки; при сумісному використанні з кістковим цементом.
Результати клінічної апробації довели принципову можливість використання вуглецевого композиційного матеріалу в якості замінника різних сегментів довгої кістки. Результати клінічної апробації показали перспективи різноманітного застосування вуглецевих імплантатів, від простого спейсера у вигляді порожнистої трубки та циліндричного стержня до модульного ендопротеза проксимального відділу плечової кістки, а у перспективі – навіть ендопротеза окремої кістки.