В различные периоды развития хирургии для изготовления протезов, предназначенных для замещения дефектов кости, использовали разные материалы. В настоящее время растет доля используемых имплантатов, выполненных из различных полимерных или биополимерных - рассасывающихся материалов на основе гидроксиапатита, которые должны в разные сроки, в зависимости от их состава, замещаться костной тканью. Также для заполнения костных дефектов используют гипс, аутогенную костную щебенку, лиофилизированныйаллотрансплантат, биокомпозиционные материалы на основе гидроксиапатита и р-трикальцийфосфата. Однако клинические результаты их применения неоднозначны и нередко сопровождаются различными осложнениями вследствие возможного иммунного ответа[1,4,5]. Реакция костной ткани при использовании фиксаторов из рассасывающихся материалов может быть различной - от невыраженной, слабозаметной, до проявления массивного остеолиза, появления кистоподобных полостей в местах расположения имплантата, что обусловлено различными факторами.
В современной литературе недостаточно работ, посвященных сравнительному клинико-экспериментальному изучению влияния различных по составу и происхождению остеопластических препаратов на динамику остеогенеза и заживления костных ран.
В этой связи исследование по изучению свойств различных остеопластических материалов, выполненное в экспериментальных и клинических условиях, направленное на изучение прочности, вязкости и усадки биокомпозитного материала, иммунной реакции окружающих тканей на введение имплантата представляется актуальным и своевременным способом совершенствования хирургической помощи[2,3].
Цель исследования
Определить качественные характеристики биокомпозитного вещества с добавлением иммуномодулятора «Деринат», позволяющие его использование в качестве имплантата для замещения костного дефекта.
Материалы и методы
Нами проведены исследования прочности, вязкости и усадки различных составов биокомпозитного материала, состоящего из гидроксиапола, гипса и иммуномодулятора «Деринат» при различном процентном соотношении компонентов. Изготовление смесей производили в регрессионной последовательности, для каждого из компонентов изменяли массовую долю компонента от 90% до 10% от общей массы смеси. Таким образом, было сформировано три группы (таблицы 1-3) по 9 образцов в каждой. Оставшиеся два компонента смешивали в равных долях, тем самым замещая оставшуюся часть биокомпозитной смеси. Таким образом, базовая часть биокомпозитной смеси постепенно увеличивалась с 10% до 90% по отношению к исследуемому компоненту.
Таблица1
Соотношение компонентов смеси образцов группы №1
|
№№ |
Соотношение массовых долей |
||
|
Гипс (%) |
Гидроксиапол (%) |
Деринат (%) |
|
|
1 |
90 |
5 |
5 |
|
2 |
80 |
10 |
10 |
|
3 |
70 |
15 |
15 |
|
4 |
60 |
20 |
20 |
|
5 |
50 |
25 |
25 |
|
6 |
40 |
30 |
30 |
|
7 |
30 |
35 |
35 |
|
8 |
20 |
40 |
40 |
|
9 |
10 |
45 |
45 |
Таблица2
Соотношение компонентов смеси образцов группы №2
|
№№ |
Соотношение массовых долей |
||
|
Гидроксиапол(%) |
Гипс (%) |
Деринат (%) |
|
|
1 |
90 |
5 |
5 |
|
2 |
80 |
10 |
10 |
|
3 |
70 |
15 |
15 |
|
4 |
60 |
20 |
20 |
|
5 |
50 |
25 |
25 |
|
6 |
40 |
30 |
30 |
|
7 |
30 |
35 |
35 |
|
8 |
20 |
40 |
40 |
|
9 |
10 |
45 |
45 |
Таблица 3
Соотношение компонентов смеси образцов группы №3
|
№№ |
Соотношение массовых долей |
||
|
Деринат (%) |
Гидроксиапол (%) |
Гипс(%) |
|
|
|
90 |
5 |
5 |
|
|
80 |
10 |
10 |
|
|
70 |
15 |
15 |
|
|
60 |
20 |
20 |
|
|
50 |
25 |
25 |
|
|
40 |
30 |
30 |
|
|
30 |
35 |
35 |
|
|
20 |
40 |
40 |
|
|
10 |
45 |
45 |
Прочность определяли на разрывной машине Р-0,5. Исследовались разрушающая нагрузка (кг), предел прочности на сжатие кгс/см2. Приготовленная смесь помещалась в формы до полного затвердевания. Каждый готовый образец представлял из себя кубик правильной геометрической формы, с длиной грани 1 см. Исследование полученных образцов проводилось до полного разрушения последних. Оценку размеров и возникающих деформаций в процессе эксперимента производили с помощью штангенциркуля ШЦ-2-250-0,1. Испытания проведены при температуре воздуха (20±2) С и влажности (57±2)%.
Исследование динамической вязкости биокомпозитного материала проводили с помощью измерения калиброванным стеклянным вискозиметром времени истечения, в секундах, определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести при постоянной температуре. Кинематическая вязкость является произведением измеренного времени истечения на постоянную вискозиметра.Динамическую вязкость вычисляли, как произведение кинематической вязкости жидкости на ее плотность. После взвешивания масс компонентов - гипса, гидроксиапола и добавления иммуномодулятора смесь тщательно перемешивали стержнем достаточной длины, чтобы он касался дна контейнера. Перемешивали до тех пор, пока не будет осадка или прилипания образца к стержню.Плотно закрывали контейнер и энергично встряхивали в течение 1 мин до полного перемешивания. Выдерживали 10 минут.После достижения текучести образца и завершения процедур, приведенных выше, наливали образец в стеклянную колбу вместимостью 100 см3 в количестве, достаточном для заполнения двух вискозиметров, и неплотно закупоривали. Вискозиметр заполняли испытуемой смесьюв соответствии с формой аппарата. В условиях проведения эксперимента (25 0С) исследуемые смеси выдерживались 10 минут.После выдержки открывали кран на отводной трубке колена и последовательно, двумя секундомерами, измеряли время заполнения жидкостью двух измерительных (нижнего и верхнего) резервуаров, ограниченных тремя метками. В момент прохождения метки уровня жидкости М2 одновременно, первый секундомер выключали, а второй включали и выключали его в момент прохождения уровня жидкости метки М3. Для образца, находящегося в свободно текущем состоянии, время измеряли с точностью до 0,1 с.
Исследование усадки биокомпозитного материала определяли измерением разницы длины и объема исследуемых вязких образцов при изменении его влажности (затвердевании). Усадка - это уменьшение объема исследуемой вязкой жидкости, залитого в форму, при его затвердевании. Уменьшение объема вязкой жидкости при изменении влажности до затвердевания и при затвердевании называется объемной усадкой. Уменьшение линейных размеров вязкой жидкости по сравнению с размерами модели называется линейной усадкой. Линейная усадка проявляется только после полного затвердевания образца. Объемная усадка начинается еще в жидком состоянии, продолжается в твердо-жидком состоянии и заканчивается в твердом состоянии.
Результаты исследований
Оценка прочности исследуемых образцов показала, что прочность нарастает при увеличении массовой доли гипса в смеси с 20% до 70%. Образцы с содержанием гипса менее 20% имеют крайне невысокую прочность и разрушаются при минимальных нагрузках, не всегда улавливающихся с помощью применяемых методов. В результате исследования прочности полученного «костного цемента» обнаружено, что оптимальным соотношением компонентов входящих в предложенную смесь является 70 % - гипс, 20 % - гидроксиапол и 10 % - «Деринат». Данная комбинация обладает наибольшей прочностью на сжатие на уровне 2,3±0,1кгс/см2, разрушающая нагрузка составляет 2,3±0,1Кг. В тоже время образцы с соотношением 60 % - гипс, 30% -гидроксиапол, 10 % - «Деринат» и 80 % - гипс, 10 % -гидроксиапол, 10 % - «Деринат» обладают достаточной 1,0±0,1кгс/см2 прочностью, позволяющей их использовать в качестве имплантата для замещения костного дефекта.
В результате исследования вязкости полученного «костного цемента» обнаружено, что оптимальным соотношением компонентов входящих в предложенную смесь является 40 % - гипс, 50 % - гидроксиапол и 10 % - «Деринат». В тоже время образцы с соотношением 30 % - гипс, 60 % -гидроксиапол, 10 % - «Деринат» и 50 % - гипс , 40 % -гидроксиапол, 10 % - «Деринат» обладают достаточной вязкостью, позволяющей их использовать в качестве имплантата для замещения костного дефекта.
Таблица 4
Определение объемной и линейной усадки и вязкости биокомпозита
|
№ |
Соотношение компонентов, весовые части |
Вязкость Па·с |
Усадка |
|||||
|
гипс |
гидроксиапол |
деринат |
Объемная |
Линейная |
||||
|
см3 |
εV, % |
см |
εлин, % |
|||||
|
1. |
10 |
80 |
10 |
35,7 |
1,75 |
33,3 |
1,84 |
33,3 |
|
2. |
20 |
70 |
10 |
70,9 |
0,65 |
12,4 |
0,69 |
12,5 |
|
3. |
30 |
60 |
10 |
254,4 |
0,15 |
2,9 |
0,16 |
2,9 |
|
4. |
40 |
50 |
10 |
292,9 |
0,25 |
4,8 |
0,26 |
4,8 |
|
5. |
50 |
40 |
10 |
145,0 |
0,55 |
10,5 |
0,58 |
10,5 |
|
6. |
60 |
30 |
10 |
49,6 |
0,85 |
17,5 |
0,90 |
17,6 |
|
7. |
70 |
20 |
10 |
43,5 |
0,55 |
12,9 |
0,58 |
13,0 |
|
8. |
80 |
10 |
10 |
30,6 |
0,75 |
20,5 |
0,79 |
20,5 |
Таблица 5
Результаты измерений относительной вязкости
|
№ |
Соотношение компонентов, весовые части |
ηотн |
|||
|
гипс |
гидрокси-апол |
деринат |
|||
|
1. |
10 |
80 |
10 |
1,17 |
|
|
2. |
20 |
70 |
10 |
2,32 |
|
|
3. |
30 |
60 |
10 |
8,31 |
|
|
4. |
40 |
50 |
10 |
9,57 |
|
|
5. |
50 |
40 |
10 |
4,74 |
|
|
6. |
60 |
30 |
10 |
1,62 |
|
|
7. |
70 |
20 |
10 |
1,42 |
|
|
8. |
80 |
10 |
10 |
1 |
|
В результате исследования линейной усадки полученного биокомпозитного вещества обнаружено, что оптимальным соотношением компонентов входящих в предложенную смесь является 10% - гипс, 80 % - гидроксиапол и 10 % - «Деринат». В тоже время образцы с соотношением 60 % - гипс, 30 % -гидроксиапол, 10 % - «Деринат» и 80 % - гипс , 10 % -гидроксиапол, 10 % - «Деринат» обладают достаточной усадкой, позволяющей их использовать в качестве имплантата для замещения костного дефекта.
Выводы
Исходя из полученных показателей по определению оптимальных характеристик биокомпозита, позволяющих его использование в качестве имплантата для замещения костного дефекта, можно сделать следующие выводы.
1. В результате исследования прочности полученного биокомпозитного вещества обнаружено, что оптимальным соотношением компонентов входящих в предложенную смесь является 70 % - гипс, 20 % - гидроксиапол и 10 % - «Деринат».
2. При исследовании вязкости полученного «костного цемента»выявлено, что оптимальным соотношением компонентов входящих в предложенную смесь является 40 % - гипс, 50 % - гидроксиапол и 10 % - «Деринат».
3. В результате исследования линейной усадки полученного «костного цемента» обнаружено, что оптимальным соотношением компонентов входящих в предложенную смесь является 10% - гипс, 80 % -гидроксиапол и 10 % - «Деринат».
Рецензенты:Проничев В.В., д.м.н.,профессор, заведующий кафедрой факультетской хирургии ГБОУ ВПО ИГМА Минздрава , г.Ижевск;
Горбунов Ю.В.,д.м.н.,профессор,заведующий кафедрой факультетской терапии с курсом гематологии и эндокринологии, ГБОУ ВПО ИГМА Минздрава, г.Ижевск.