Способ имплантации углеродного имплантата на основе аморфного углерода в бедренную кость мыши линии Balb/c Российский патент 2023 года по МПК A61B17/56 G09B23/28 

Изобретение относится к медицине, а именно к экспериментальной хирургии, и касается способа имплантации углеродного имплантата (скаффолда) в бедренную кость мыши линии Balb/c для остеосинтеза и эндопротезирования.

В течение последних десятилетий наноматериалы на основе аморфного углерода продемонстрировали множество значимых преимуществ. Углеродные наноструктурные имплантанты обладают пористой структурой, что обеспечивает прочный костно-углеродный блок (см. Nie W., Peng C., Zhou X., et al. Three-dimensional porous scaffold by self-assembly of reduced graphene oxide and nano-hydroxyapatite composites for bone tissue engineering. Carbon. 2017; 116:325–337. doi: 10.1016/j.carbon.2017.02.013), улучшают процесс заживления ран как в мягких, так и в твердых тканях (см. Blazewicz, M. Carbon materials in the treatment of soft and hard tissue injuries. Eur. Cells Mater. 2001, 2, 21–29.) Воспалительные (инертный туберкулез, остеомиелит), дегенеративно-дистрофические заболевания костей, травмы, преимущественно конечностей и позвоночника, являются основными мишенями для имплантатов из этого материала (см. Гордеев С. К., Киселев О. И., Барзинский О. В. Способ изготовления имплантата. – 2017).

В многолетней клинической практике существует опыт применения имплантата из титана, керамики и полимеров (см. Резник Л. Б. и др. Морфологическая оценка остеоинтеграции различных имплантов при замещении дефектов длинных костей (экспериментальное исследование) //Гений ортопедии. – 2019. – Т. 25. – №. 3. – С. 318-323; Чубрик А. В., Сенатов Ф. С., Карягина А. С. Гибридные материалы на основе полиэфирэфиркетона для реконструктивной хирургии //новые материалы и перспективные технологии. – 2019. – С. 560-565). Однако были выявлены недостатки их использования. Титановые сплавы обладают высоким модулем упругости, что может привести к резорбции кости. Керамический материал довольно хрупкий и чувствителен к ударно-вибрационным нагрузкам, впоследствии приводит к деформации. Полимерные структуры в процессе биологического старения костной ткани могут выделять токсичные и канцерогенные вещества (см. Малышева А.Ю. Структура и свойства композиционных материалов медицинского назначения // Стекло и керамика. – 2001. – №2. С. 28-31; Гордеев С. К., Киселев О. И., Барзинский О. В. Способ изготовления имплантата. – 2017.).

В связи с этим, наиболее распространенным материалом являются наноструктурные углеродные композиции (см. Савинцев А. М., Сорокин И. В. Применение наноструктурных углеродных имплантатов в хирургическом лечении поперечного плоскостопия //Вестник Северо-Западного государственного медицинского университета им. ИИ Мечникова. – 2020. – Т. 12. – №. 1. – С. 45-52). Аморфная углеродная структура обладает значительной прочностью на растяжение, механической жесткостью и химической стабильностью (см. Изучение степени интеграции мягких тканей в элементы из углерод-углеродного композитного материала в зоне перехода внутренней и наружной среды при имплантации эндоэкзопротезов/ Масленников С.О., Головаха М.Л., Черный В.Н. // Травма. – 2017. – Т.18, №1. – С.39-44).

Исследования in vitro показали, что наноструктурные углеродные композиции нетоксичны и обладают высокой биосовместимостью, также они по сравнению с металлическими имплантатами более близки к структуре натуральной кости (см. Dervin S, Murphy J, Aviles R, Pillai SC, Garvey M. An in vitro cytotoxicity assessment of graphene nanosheets on alveolar cells. Appl Surf Sci. 2018;434:1274–1284. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.11.217).

Кроме того, в дополнение к хорошо известным структурно-механическим свойствам, углеродные волокна обладают большой удельный прочностью и стабильностью атомной структуры, которая обеспечивает поддержку для клеток и регулирует их пролиферацию, дифференцировку и миграцию, что в конечном итоге эффективно стимулирует регенерацию кости (см. Zhai LS, Li L, Zhang Q. Fabrication of capsaicin functionalized reduced graphene oxide and its effect on proliferation and differentiation of osteoblasts. Environ Toxicol Pharmacol. 2018;57:41–45. doi: 10.1016/j.etap.2017.11.012).

Известен способ трансплантации имплантата из углеродной композиции, армированной бисфенол-эпоксидной смолой/углеродным волокном крысам линии Sprague-Dawley. На большеберцовой кости на 8 мм проксимальнее выступа кортикального слоя, при помощи хирургического бора было сделано небольшое отверстие. Затем вкручен винт, армированный эпоксидной смолой и углеродным волокном (м. Carbon Fiber Biocompatibility for Implants Richard Petersen Received: 15 October 2015; Accepted: 28 December 2015; Published: 8 January 2016 Academic Editor: Jonathan Phillips). Преимуществом данного способа является высокий процент остеоинтеграции. Недостатком метода является имплантация винта без закреплений, что может привести к деформации прилегающих мягких и твердых тканей.

Известен способ трансплантации имплантата из анодированного титана с аморфным углеродом (CNH/AnTi) крысам линии Wistar. Стоматологическим бором диаметром 2,00 мм просверливали отверстия в бедренной кости, затем проволоку с CNH/AnTi вводили в костный мозг большеберцовой кости. Преимуществом данного способа является высокая остеоинтеграция с костной тканью крысы. Недостатком метода является труднодоступный способ имплантации материала (см. Takada S. et al. Carbon nanohorn coating by electrodeposition accelerate bone formation on titanium implant //Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology. – 2021. – Т. 49. – №. 1. – С. 20-29.).

Известен способ имплантации костных винтов, армированных графеном (наногидроксиапатитом/полиамидом 66 (nHA/PA66)) в мыщелок бедренной кости собаки. Осуществляли послойное обнажение колена через продольный латеральный разрез. После этого перемещали надколенник, удаляли латеральный мыщелок бедра и изготавливали модель межмыщелкового перелома бедра. После репозиции для восстановления перелома использовались биоактивные винты. Данная работа показала хорошую биосовместимость nHA/PA66, что дает возможность не удалять имплантат при повторной операции. Однако, недостатком метода является избыточное отложение солей кальция в мягких тканях, кроме того доказано, что графен может проходить через гематоэнцефалический барьер, что может оказывать влияние на головной мозг (см. Kim Y. G. et al. Recombinant Vaccinia virus-coded interferon inhibitor B18R: Expression, refolding and a use in a mammalian expression system with a RNA-vector //PLoS One. – 2017. – Т. 12. – №. 12. – С. e0189308; Zhang S. et al. In vitro and in vivo biocompatibility and osteogenesis of graphene-reinforced nanohydroxyapatite polyamide66 ternary biocomposite as orthopedic implant material //International journal of nanomedicine. – 2016. – Т. 11. – С. 3179).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка способа имплантации углеродного имплантата на основе аморфного углерода в бедренную кость мыши линии Balb/c.

Технический результат изобретения достигается тем, что рассечение кожи и мышц бедра осуществляют послойно параллельно тазобедренной кости на протяжении 13 мм, начало разреза производят на 5 мм ниже в области сочленения тазовой и бедренной кости, отодвигая хирургическим пинцетом подкожную мышцу большеберцовой кости и при помощи хирургического бура диаметром 2 мм ниже на 3 мм от третьего вертела и на 4 мм выше от фасетки сесамовидных костей икроножной мышцы проводят повреждение надкостницы и верхнего слоя костной ткани длиной 3 мм и глубиной 1 мм на теле бедренной кости, накладывают углеродный имплантат длиной 10 мм, закрепляют двумя узлами лигатуры на расстоянии 4 мм друг от друга, сшивают двуглавую мышцу бедра, ушивают послеоперационную рану узловым швом.

Способ осуществляется следующим образом.

Эксперимент проводился на мышах линии Balb/c.

Для проведения имплантации скаффолда животных вводят в наркоз. Для премедикации используют ксилазин концентрацией 20 мг/мл. Наркотизируют мышей золетилом в концентрации 22,57 мг/кг (см. Патент на изобретение RU 2712916 C1, опубл. 03.02.2020, Бюл. № 4).

Для обеспечения имплантации скаффолда в диафизарную область кости делают разрез кожи и мышц бедра послойно параллельно тазобедренной кости на протяжении 13 мм. Начало разреза производят на 5 мм ниже в области сочленения тазовой и бедренной кости отодвигая хирургическим пинцетом подкожную мышцу большеберцовой кости и при помощи хирургического бура диаметром 2 мм ниже на 3 мм от третьего вертела и на 4 мм выше от фасетки сесамовидных костей икроножной мышцы проводят повреждение надкостницы и верхнего слоя костной ткани длиной 3 мм и глубиной 1 мм на теле бедренной кости, накладывают углеродный имплантант длиной 10 мм, закрепляют двумя узлами лигатуры на расстоянии 4 мм друг от друга, сшивают двуглавую мышцу бедра, ушивают послеоперационную рану узловым швом.

Изобретение иллюстрируется фигурами (1-5).

На Фиг.1 изображено повреждение надкостницы и верхнего слоя костной ткани на теле бедренной кости мыши линии Balb/c при помощи хирургического бура.

На Фиг. 2 изображено расположение скаффолда из наноструктурого аморфного углерода на бедренной кости мыши линии Balb/c.

На Фиг. 3 изображено закрепление скаффолда из наноструктурого аморфного углерода на бедренной кости мыши линии Balb/c.

На Фиг. 4 изображен финальный вид мыши линии Balb/c после имплантации скаффолда из наноструктурого аморфного углерода на бедренной кости мыши линии Balb/c.

На Фиг. 5 показан скан после проведения компьютерной томографии на 26 сутки после имплантации скаффолда из наноструктурого аморфного углерода на бедренной кости мыши линии Balb/c.

Данным способом была проведена имплантация скаффолда из наноструктурого аморфного углерода на бедренной кости 20 мышам линии Balb/c.

Пример применения способа.

Данным способом была прооперирована самка мыши линии Balb/c весом 25 г., возраст ее составил 9 недель.

Для проведения имплантации скаффолда животных вводят в наркоз. Для премедикации используют ксилазин концентрацией 20 мг/мл. Наркотизируют мышей золетилом в концентрации 22,57 мг/кг.

Имплантацию скаффолда проводили в диафизарную область кости, при этом делают разрез кожи и мышц бедра послойно параллельно тазобедренной кости на протяжении 13 мм. Начало разреза производится на 5 мм ниже в области сочленения тазовой и бедренной кости, отодвигая хирургическим пинцетом подкожную мышцу большеберцовой кости и при помощи хирургического бура диаметром 2 мм ниже на 3 мм от третьего вертела и на 4 мм выше от фасетки сесамовидных костей икроножной мышцы проводят повреждение надкостницы и верхнего слоя костной ткани длиной 3 мм и глубиной 1 мм на теле бедренной кости, накладывают углеродный имплантант длиной 10 мм, закрепляют двумя узлами лигатуры на расстоянии 4 мм друг от друга, сшивают двуглавую мышцу бедра, ушивают послеоперационную рану узловым швом.

Технико-экономическая эффективность данного способа заключается в возможности способа имплантации наноструктурированного покрытия из аморфного углерода (скаффолда) в бедренную кость мыши Balb/c, для замещения пострезекционных костных дефектов без риска возникновения осложнений в виде механических конфликтов на границе кость-имплантат, в частности, резорбции костной ткани за счет большей деформирующей способности имплантата в пределах физиологических нагрузок. Кроме того, благодаря своей прочности его можно использовать в качестве одного из самых прочных имплантатов в клинических условиях без риска его разрушения.

Изобретение относится к медицине, а именно к экспериментальной хирургии, и касается способа имплантации углеродного имплантата (скаффолда) в бедренную кость мыши линии Balb/c для остеосинтеза и эндопротезирования. Рассечение кожи и мышц бедра осуществляют послойно параллельно тазобедренной кости на протяжении 13 мм. Начало разреза производят на 5 мм ниже в области сочленения тазовой и бедренной кости, отодвигая хирургическим пинцетом подкожную мышцу большеберцовой кости, и при помощи хирургического бура диаметром 2 мм ниже на 3 мм от третьего вертела и на 4 мм выше от фасетки сесамовидных костей икроножной мышцы проводят повреждение надкостницы и верхнего слоя костной ткани длиной 3 мм и глубиной 1 мм на теле бедренной кости. Накладывают углеродный имплантат длиной 10 мм, закрепляют двумя узлами лигатуры на расстоянии 4 мм друг от друга. Сшивают двуглавую мышцу бедра, ушивают послеоперационную рану узловым швом. Способ обеспечивает возможность имплантации наноструктурированного покрытия из аморфного углерода (скаффолда) в бедренную кость мыши Balb/c для замещения пострезекционных костных дефектов без риска возникновения осложнений в виде механических конфликтов на границе кость-имплантат, в частности резорбции костной ткани за счет большей деформирующей способности имплантата в пределах физиологических нагрузок. 5 ил., 1 пр.

Способ имплантации углеродного имплантата на основе аморфного углерода в бедренную кость мыши линии Balb/c, включающий наркоз животных, отличающийся тем, что рассечение кожи и мышц бедра осуществляют послойно параллельно тазобедренной кости на протяжении 13 мм, начало разреза производят на 5 мм ниже в области сочленения тазовой и бедренной кости, отодвигая хирургическим пинцетом подкожную мышцу большеберцовой кости, и при помощи хирургического бура диаметром 2 мм ниже на 3 мм от третьего вертела и на 4 мм выше от фасетки сесамовидных костей икроножной мышцы проводят повреждение надкостницы и верхнего слоя костной ткани длиной 3 мм и глубиной 1 мм на теле бедренной кости, накладывают углеродный имплантат длиной 10 мм, закрепляют двумя узлами лигатуры на расстоянии 4 мм друг от друга, сшивают двуглавую мышцу бедра, ушивают послеоперационную рану узловым швом.