Экспериментальное обоснование применения орбитальных имплантатов из пористо-проницаемого никелида титана

Введение. Пористые сплавы на основе никелида титана успешно используются в медицинской практике благодаря высокой биосовместимости, обусловленной химической инертностью, развитой поверхностью и сходством с живыми тканями по механическим свойствам. Прогресс хирургических технологий в офтальмологии связан, в т.ч. с фундаментальными и прикладными исследованиями взаимодействия тканей глаза с имплантированными материалами. Цель данного исследования состоит в изучении процесса биоинтеграции, особенностей формирования и химического состава тканей на разных сроках использования орбитального имплантата из пористопроницаемого никелида титана. Материал и методы. Эксперимент выполнен на 20 животных (собаках) и включает проведение эвисцерации глазного яблока с формированием опорно-двигательной культи орбитальным имплантатом из пористого никелида титана марки ТН-10. Процесс биоинтеграции исследовали на 10-е, 30, 90 и 180-е сутки после операции. По истечении указанных сроков образцы извлекали из организма для исследования их структуры методом электронной сканирующей микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа. Результаты. Анализ полученных результатов показал, что на поверхности и в поровом пространстве изучаемых имплантатов отчетливо визуализируется наличие органической ткани. Формирующаяся соединительная ткань характеризуется хорошей адгезией к поверхности имплантата, состоит из волокнистого компонента, который представлен, главным образом, коллагеновыми волокнами, также визуализируются клетки фибробластного ряда. Вся толща имплантата, включая центральные отделы, с ранних сроков наблюдения имеет признаки распространенного прорастания соединительной ткани, которая плотно прилегает к поверхности пор имплантата и уже на 30-е сутки наблюдения заполняет их объем, обеспечивая высокие прочностные свойства структуры «ткань-имплантат». Заключение. Высокая способность к биоинтеграции в совокупности с каркасными свойствами материала создает предпосылки к использованию орбитального имплантата из пористо-проницаемого никелида титана для формирования опорно-двигательной культи глазного яблока после эвисцерации. Высокая интеграционная связь «ткань-имплантат» обеспечивает прочную фиксацию в тканях, стабильный объем и форму опорно-двигательной культи глазного яблока, снижает риск обнажения и отторжения имплантата. Ключевые слова: глазные болезни, эвисцерация глаза, орбитальный имплантат, никелид титана Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирование. Работа выполнена без спонсорской поддержки.

Introduction. Porous alloys based on titanium nickelide are successfully used in medical practice because of high biocompatibility due to chemical inertia, developed surface and similarity to vital tissues in mechanical properties. The progress of surgical technologies in ophthalmology is associated, among other things, with fundamental and applied studies of the interaction of eye tissues with implanted materials. The purpose of this study is to explore the process of biointegration, formation peculiarities and chemical composition of tissues at different periods of use of a porous-permeable titanium nickelide orbital implant. Material and methods. The experiment was performed on 20 animals (dogs) and includes eyeball evisceration with the formation of a musculoskeletal stump with a porous titanium nickelide orbital implant of theTN-10 brand. The process of biointegration was studied on the 10th, 30th, 90th and 180th days after surgery. After these periods, the samples were removed from the host body to study their structure by electron scanning microscopy and X-ray spectral microanalysis. Results. The analysis of the obtained results showed clearly visualized presence of the organic tissue on the surface and in the pore space of the studied implants. The emerging connective tissue is characterized by good adhesion to the implant surface, consists of a fibrous component, which is mainly represented by collagen fibers, and fibroblast cells are also visualized. The entire thickness of the implant, including the central sections, from the early stages of observation has signs of widespread germination of connective tissue, which fits snugly to the surface of the implant pores and fills their volume already on the 30th day of observation, providing high strength properties of the «tissue-implant» structure. Conclusion. The high ability for biointegration in combination with the frame properties of the material creates prerequisites for the use of porous-permeable titanium nickelide orbital implant for the eyeball musculoskeletal stump formation after evisceration. The high integration connection «tissue-implant» structure provides a strong fixation in the tissues, a stable shape and volume of the eyeball musculoskeletal stump, reduces the risk of exposure and implant rejection. Keywords: eye diseases, eye evisceration, orbital implant, titanium nickelide Conflicts of interest. The authors have no conflicts of interest to declare. Funding. There was no funding for this study

Введение Формирование полноценной опорно-двигательной культи глазного яблока после его удаления является необходимым условием достижения удовлетворительного функциональноэстетического эффекта последующего глазного протезирования и, следовательно, эффективной медико-социальной реабилитации пациента [1–6]. В настоящее время для формирования опорно-двигательной культи глазного яблока используются синтетические и биологические орбитальные имплантаты. Однако они имеют ряд недостатков: биологические имплантаты подвергаются постепенному рассасыванию, не обеспечивают постоянства объема и формы культи глазного яблока [7, 8], нормального роста костей глазницы у детей [9]. Необходимость бактериального и вирусологического тестирования донорского материала требует соблюдения правил его консервации и хранения, создания сети тканевых банков, что значительно повышает стоимость лечения. Недостатками синтетических орбитальных имплантатов являются их обнажение, отторжение, деформация и в ряде случаев – высокая цена [10–18, 20]. Прогресс хирургических технологий в офтальмологии связан, в т.ч. с фундаментальными и прикладными исследованиями взаимодействия тканей глаза с имплантированными материалами [19, 23]. Пористые сплавы на основе никелида титана широко используются в медицине благодаря их высокой биосовместимости с тканями организма. Создание имплантатов для фиксации и замещения костных тканей, полых органов, производство инструментария, разработка пористых и сетчатых имплантатов для замещения дефектов мягких тканей организма, развитие клеточных технологий для восстановления функций внутренних органов и тканей – основные направления использования сплавов на основе никелида титана в медицинской практике [21, 22]. Цель данного исследования состоит в изучении процесса биоинтеграции, особенностей формирования и химического состава тканей на разных сроках использования орбитальных имплантатов из пористо-проницаемого никелида титана. Материал и методы Для проведения исследований использовали пористо-проницаемый материал на основе никелида титана (TiNi) со средним размером пор 230–440 мкм, пористостью 60–78%. Пористые сплавы на основе TiNi были получены методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с использованием порошков титана и никеля. Исходные порошки Ті (ПТОМ, чистота 99,94%), Ni (ПНК, чистота 99,90%) сушили в сухожаровой печи ГП-20 при температуре 85–95 °С в течение 7 часов. Затем их смешивали в эквиатомном соотношении в смесителе C2К/Б в течение 8 часов. Полученную смесь выливали в кварцевую колбу, уплотняли в течение 30 минут и помещали в металлический реактор. СВС проводили в электрической трубчатой печи СУОЛ в атмосфере газа аргон. При достижении температуры 450 °С СВС инициировался путем короткого замыкания электрической цепи напряжением 220 В на открытом конце Ti-Ni-заготовки. Полученный пористый материал обрабатывали методом химического травления раствором азотной и плавиковой кислот, разбавленными дистиллированной водой в соотношении 1:1:3. Время травления составляло 7–10 сек. при температуре 20 °С. Все процедуры с животными проводились со строгим соблюдением Хельсинской декларации 1975 г. и в соответствии с Директивой Совета Европейского сообщества 86/609/ ЕЕС. Протокол исследования официально одобрен (код одобрения №138/1 от 16 марта 2023 г.) Биоэтическим комитетом Кузбасской областной клинической больницы. Процесс биоинтеграции орбитального имплантата из модифицированного пористого TiNi изучали в эксперименте in vivo на 20 животных (собаках). Анестезию лабораторных животных, участвующих в эксперименте, проводили путем внутривенного введения раствора тиопентала натрия в сочетании с местной инфильтрационной анестезией 2% раствором лидокаина гидрохлорида. Эвисцерацию глазного яблока выполняли по стандартной методике [2]. В подготовленную обработанную полость склеры погружали орбитальный имплантат и ушивали П-образными швами склеральные лоскуты попарно. Накладывали послойно непрерывные швы на тенонову капсулу, субконъюнктиву и конъюнктиву. Операцию завершали инъекцией антибиотика. Антибактериальную терапию проводили в течение 7 суток. Выведение животных из опыта осуществляли внутривенным введением 10% раствора лидокаина на 10-е, 30, 90 и 180-е сутки. Образцы извлекали из организма животных и погружали в формалин для дальнейшего изучения. Исследование экспериментальных образцов выполнено методом сканирующей электронной микроскопии с помощью системы с электронным и сфокусированными пучками Quanta 200 3D. Образцы орбитального имплантата высушивали на фильтровальной бумаге при комнатной температуре, затем помещали на предметные столики с электропроводящей лентой для фиксации и выполняли загрузку в колонну микроскопа. Исследование образцов выполнено в режиме низкого вакуума (при давлении Р=70 Па) с использованием детектора LFD (LargeFieldDetector) для работы с биологическими объектами. Пространственное разрешение при данном режиме исследования, согласно паспортным данным микроскопа, составляет 15 нм. Фокусное расстояние составило 10–20 мм, угол наклона предметного столика – 0⁰. Ускоряющее напряжение составило 10–20 кV при увеличении от 36 до 15 000 раз. Количественный анализ химического состава тканей выполнен с использованием системы рентгеноспектрального микроанализа EDAX EKOMIV с кремниевым детектором с разрешением 120 еV. Оценивали состояние процесса фиброобразования на поверхности и на сколе орбитальных имплантатов по микроструктуре биологической ткани. Результаты Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения орбитального имплантата на основе пористого никелида титана после 10 суток имплантации а – отдельные фибробласты и скопления клеток, б – сеть волокон незрелой соединительной ткани. Fig. 2. Electron microscopic images of an orbital implant based on porous titanium nickelide after 10 days of implantation a – separate fibroblasts and cells clusters, b – a network of immature connective tissue fibers. Анализ полученных снимков и данных рентгеноспектрального микроанализа химического состава тканей показал, что на поверхности всех изучаемых имплантатов отчетливо визуализируется органическая ткань, не содержащая частиц титана и никеля (рис. 1). Через 10 суток после имплантации вокруг орбитального имплантата образовалась капсула из нежно волокнистой соединительной ткани, интимно связанной с пористым материалом. Поровое пространство материала заполняется соединительной тканью от периферии к центру. Органическая ткань распространяется во всем объеме имплантата. Помимо незрелой соединительной ткани в порах определяются отдельные фибробласты и скопления клеток (рис. 2а), новообразованные сосуды. Волокна незрелой соединительной ткани полностью выстилают поверхность пор изнутри и образуют переплетающуюся сеть в поровом пространстве (рис. 2б). Они являются продуктами жизнедеятельности активно делящихся и мигрирующих фибробластов. Спустя 30 суток от начала эксперимента имплантат покрыт капсулой толщиной до 500 мкм с уплотненной структурой, сформирована зрелая соединительная ткань. Толщина капсулы в процессе созревания формирующей ее соединительной ткани не увеличивается. Все поры имплантата заполнены зрелой соединительной тканью. Расположение коллагеновых волокон упорядоченное, среди волокнистого компонента визуализируются клетки фибробластного ряда. В отличие от 10-суточного срока в просвете новообразованных сосудов обнаруживаются эритроциты. Наблюдается диффузная тканевая колонизация имплантата (рис. 3). На 90-е сутки после операции соединительнотканная капсула на поверхности имплантата становится плотнее, но тоньше, чем в предыдущий срок наблюдения, что свидетельствует об отсутствии гистотоксичности данного имплантационного материала. Соединительная ткань в поровом пространстве формируется с преобладанием волокнистого компонента. Визуализируются плотные волокна и единичные фибробласты. Соединительная ткань характеризуется хорошей адгезией к поверхности стенки пор имплантата (рис. 4а). Волокна при этом расположены концентрически или продольно (рис. 4б). В целом, микроскопическая картина на 30-е и 90-е сутки аналогична. Неизменность микроскопической картины свидетельствует о том, что процесс биоинтеграции орбитального имплантата из пористо-проницаемого TiNi отличается высокими темпами клеточной колонизации и занимает не более 30 суток. На 180-е сутки наблюдения капсула слабо выражена, коллагеновые пучки сливаются в однородную плотную массу, напоминающую гиалиновый хрящ. Процесс биоинтеграции орбитального имплантата завершился к концу первого месяца послеоперационного периода. Подтверждением этому служит практически полная идентичность РЭМ (растровая электронная микроскопия)-снимков микроструктуры на 30–90–180-е сутки от начала эксперимента (рис. 5). Тканевая реакция на недеградируемые имплантируемые материалы приводит к формированию фиброзной капсулы, отграничивающей инородное тело (имплантат) от окружающих тканей. Например, монолитный силикон и углеродный войлок, помещенные в глазницу кролика, инкапсулируются в течение 3–7 суток [9]. На данном сроке наблюдения капсула, как правило, представлена рыхлой соединительной тканью, но уже через 1 месяц от начала эксперимента имплантат покрыт плотной соединительнотканной капсулой, например гидрогелевый орбитальный имплантационный материал (Д.В. Давыдов и соавт., 2002).При дальнейшем наблюдении Ю.С. Астаховым и соавт. (2007) было отмечено, что через 3 месяца после операции толщина соединительнотканной капсулы вокруг ПТФЭ (политетрафторэтилен) уменьшилась. При этом наблюдались лимфоцитарная инфильтрация и гиалиноз ткани, образующей капсулу. Через 6 месяцев после операции регрессивные изменения соединительнотканной капсулы нарастали. Плотная волокнистая соединительная ткань замещалась рыхлой, с распространением в ней жировой клетчатки. Сравнивая инволюцию капсулы вокруг ряда биосовместимых материалов, Ю.С. Астахов, В.П. Николаенко и соавт. (2007) отмечают, что постепенное истончение капсулы связано со стиханием тканевой реакции и наблюдается после имплантации пористого ПЭ (полиэтилен), коралла, синтетического ГАП (гидроксиапатит), силикона, при этом плотная капсула вокруг углеродного войлока сохраняется через 8–18 месяцев от начала эксперимента. Результаты собственных исследований по срокам инкапсуляции имплантата и инволюции соединительнотканной капсулы согласуются с данными других авторов. Через 10 суток от начала эксперимента вокруг имплантата из пористого TiNi образовалась капсула из рыхлой волокнистой соединительной ткани. Через 30 суток имплантат из TiNi, подобно прочим пористым материалам (ПЭ, ПТФЭ, синтетический ГАП) был окружен капсулой, сформированной плотной соединительной тканью, капсула при этом к 90-м суткам становилась тоньше, но плотнее. Через 180 суток после операции вокруг имплантата определялась плотная волокнистая соединительная ткань с участками гиалиноза. Ю.С. Астахов и соавт. (2007) наблюдали аналогичные изменения капсулы вокруг ПТФЭ через 3 месяца после операции, расценивая данное проявление как дистрофические процессы в фиброзно-рубцовой ткани. При первичном взаимодействии пористого имплантата и тканей организма происходит адсорбция белков плазмы крови и появление слоя фибриногена на поверхности и в пόровом пространстве материала, образующего субстрат для миграции фибробластов, активно синтезирующих коллаген и формирующих тяжи грануляционной ткани. Появление грануляционной ткани в порах ПТФЭ отмечено Ю.С. Астаховым и соавт. (2007) через 7 суток после операции. Собственные исследования указывают на интенсивное врастание тяжей рыхлой соединительной ткани в поры имплантата на 10-е сутки эксперимента. Через 2 недели микропоры ПТФЭ были заполнены фибрином и нежно волокнистой соединительной тканью на глубину 2,5–3,0 мм. Через 6 месяцев после имплантации максимальная глубина проникновения фиброваскулярной ткани в пόровое пространство ПТФЭ составила 3–4 мм. При имплантации коралла и углеродного войлока возможна полная тканевая колонизация имплантата в течение 7–8 месяцев [2, 15]. Глубина проникновения фиброваскулярной ткани в толщу имплантата из пористого ПЭ через 6 месяцев после операции составила 6 мм [18]. В нашем эксперименте полная тканевая колонизация имплантата из пористого проницаемого TiNi наблюдалась на 30-е сутки. Глубина проникновения фибрина в толщу имплантата и скорость миграции клеток по поверхности и в пόровом пространстве, определяющие глубину врастания ткани в имплантат, находится в прямой зависимости от его смачиваемости. Таким образом, гидрофильным имплантатам (ГАП, углеродный войлок, TiNi) присущи более высокие темпы тканевой колонизации, чем гидрофобным (ПЭ, ПТФЭ) [17, 22]. Заключение Реакция на постоянное пребывание пористо-проницаемого материала на основе TiNi в тканях, ее структура,морфологические особенности и последовательность этапов интеграции указывают на высокие параметры биосовместимости данного материала. Процесс интеграции имплантата сопровождается высокой степенью адгезии клеточных и тканевых структур новообразованной ткани в пόровое пространство материала на основе TiNi. Таким образом, обеспечивается формирование надежной связи имплантата с окружающими анатомическими структурами уже через 1 месяц после операции. Прочная интеграционная связь «ткань-имплантат» в совокупности с каркасными свойствами материала обеспечивает стабильную фиксацию, форму и объем культи, снижает риск обнажения и отторжения имплантата, что создает предпосылки к использованию орбитального имплантата на основе пористо-проницаемого TiNi для формирования опорно-двигательной культи глазного яблока после эвисцерации.