Экспериментальная оценка свойств костнозамещающих материалов на основе CA3(PO4)2 на модели критического дефекта бедренной кости крысы

Введение. В современной травматологии и ортопедии остро стоит проблема замещения дефектов костной ткани. Достижения современного материаловедения позволяют создавать широкий спектр костнозамещающих материалов, однако выбор наиболее эффективных из них является актуальной задачей биомедицинских исследований.

Цель работы — определение влияния трехмерной структуры и размера пор костнозамещающих материалов на основе трикальциевого фосфата на их остеокондуктивные свойства на модели критического диафизарного дефекта бедренной кости крысы.

Материалы и методы. В эксперименте под наркозом воспроизводили монокортикальный дефект средней трети диафиза бедренной кости крыс на протяжении 7 мм, который заполняли блоками одного из четырех материалов на основе трикальциевого фосфата, различающихся количеством, размером и направлением пор. В каждую из групп включено по 16 животных. Через 3 и 6 мес. по 8 крыс из каждой группы выводили из эксперимента, после чего при гистологическом исследовании проводили оценку площади новообразованной костной ткани с последующим сравнением результатов между группами с использованием статистических методов.

Результаты. Во всех группах отмечено прорастание костной ткани в зону дефекта по порам материала. Через 3 и 6 мес. площадь новообразованной костной ткани в соотношении к площади дефекта составила: в группе Цилиндры — (11 ± 4) % и (31 ± 6) % соответственно; в группе Гироид — (14 ± 5) % и (29 ± 4) %; в группе Гироид-150 мкм — (39 ± 5) % и (41 ± 7) %; в группе Гироид-50 мкм — (17 ± 7) % и (27 ± 8 %. Площадь новообразованной костной ткани в группе Гироид-150 мкм статистически значимо больше по сравнению с остальными группами (p < 0,05, критерий Kruskal – Wallis).

Обсуждение. Оценка влияния типа архитектуры блока костнозамещающего материала, размера пор и их взаимоотношений в настоящее время является темой многих исследований, в которых показано, что наличие пор большого диаметра (более 600 мкм) улучшает остеокондуктивные свойства, однако  верхний предел пористости ограничен снижением механических свойств блока. Подтверждается превосходство структуры Гироид над другими типами архитектур, как в теоретических, так и в прикладных исследованиях. Однако изучению структур с порами различного размера посвящено мало работ, в связи с чем результаты нашего исследования позволяют ответить на вопрос о целесообразности применения таких сложных структур и их роли в замещении костной ткани.

Заключение. Трехмерная структура костнозамещающих материалов на основе трикальциевого фосфата оказывает влияние на остеокондуктивные свойства, при этом добавление к структуре Гироид дополнительной моды пор диаметром 150 мкм приводит к статистически значимо большему врастанию костной ткани в образец материала в эксперименте.

1. Farhan YAA, Abdelsameaa SE, Elgamily M, Awad S. Impact of Different Preparations of Tooth Graft vs Xenogeneic Bone Graft on Bone Healing: An Experimental Study. J Contemp Dent Pract. 2022;23(11):1163-1172. doi: 10.5005/jp-journals-10024-3438.

2. Яриков А.В., Горбатов Р.О., Денисов А.А. и др. Применение аддитивных технологий 3D-печати в нейрохирургии, вертебрологии, травматологии и ортопедии. Клиническая практика. 2021;12(1):90-104. doi: 10.17816/clinpract64944.

3. Каралкин П.А., Сергеева Н.С., Комлев В.С. и др. Бактериостатические свойства костнозамещающих конструктов, полученных методом 3D-печати из композиционных материалов на основе природных полимеров, фосфатов кальция и ванкомицина. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2017;24(2):48-56. doi: 10.17816/vto201724248-56.

4. Хоминец В.В., Воробьев К.А., Соколова М.О. и др. Аллогенные остеопластические материалы для реконструктивной хирургии боевых травм. Известия Российской военно-медицинской академии. 2022;41(3):309-314. doi: 10.17816/rmmar109090.

5. Hong YR, Kim TH, Lee K, et al. Bioactive Bone Substitute in a Rabbit Ulna Model: Preclinical Study. Tissue Eng Regen Med. 2023;20(7):1205-1217. doi: 10.1007/s13770-023-00591-4.

6. Tomas M, Karl M, Čandrlić M, et al. A Histologic, Histomorphometric, and Immunohistochemical Evaluation of Anorganic Bovine Bone and Injectable Biphasic Calcium Phosphate in Humans: A Randomized Clinical Trial. Int J Mol Sci. 2023;24(6):5539. doi: 10.3390/ijms24065539.

7. Suzuki O, Hamai R, Sakai S. The material design of octacalcium phosphate bone substitute: increased dissolution and osteogenecity. Acta Biomater. 2023;158:1-11. doi: 10.1016/j.actbio.2022.12.046.

8. Климентьев А.А., Набока В.А. Биологические характеристики биодеградируемого материала на основе фиброина шелка для замещения костной ткани. Медицина теория и практика. 2021;6(3):28-36.

9. Попков А.В., Стогов М.В., Горбач Е.Н. и др. Гидролиз костнозамещающих материалов на основе полимолочной кислоты с добавлением гидроксиапатита в эксперименте in vitro. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2022;174(7):114-118.

10. Анастасиева Е.А., Черданцева Л.А., Толстикова Т.Г., Кирилова И.А. Замещение костных дефектов тканеинженерной конструкцией на основе депротеинизированной губчатой кости: экспериментальное исследование. Гений ортопедии. 2023;29(6):602 608. doi: 10.18019/1028-4427-2023-29-6-602-608. EDN: FYLPOS.

11. Vasileva R, Chaprazov T. Bone Healing of Critical-Sized Femoral Defects in Rats Treated with Erythropoietin Alone or in Combination with Xenograft. Vet Sci. 2023;10(3):196. doi: 10.3390/vetsci10030196.

12. Guerrero J, Maevskaia E, Ghayor C, et al. Influence of Scaffold Microarchitecture on Angiogenesis and Regulation of Cell Differentiation during the Early Phase of Bone Healing: A Transcriptomics and Histological Analysis. Int J Mol Sci. 2023;24(6):6000. doi: 10.3390/ijms24066000.

13. Putra NE, Leeflang MA, Klimopoulou M, et al. Extrusion-based 3D printing of biodegradable, osteogenic, paramagnetic, and porous FeMn-akermanite bone substitutes. Acta Biomater. 2023;162:182-198. doi: 10.1016/j.actbio.2023.03.033.

14. Yung WTB, Koo SCJJ, Mak CKM, et al. Clinical and Radiological Outcome of Osteoscopic-Assisted Treatment of Enchondroma in Hand with Artificial Bone Substitute or Bone Graft: A 7-Year Case Series and Literature Review. J Hand Surg Asian Pac Vol. 2023;28(2):214- 224. doi: 10.1142/S2424835523500236.

15. Дробышев А.Ю., Редько Н.А., Свиридов Е.Г., Деев Р.В. Особенности регенерации костной ткани альвеолярного гребня челюстей при применении материала на основе гидроксиапатита. Травматология и ортопедия России. 2021;27(1):9-18. doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-1-9-18.

16. Щербаков И.М., Климашина Е.С., Евдокимов П.В. и др. Оценка свойств костнозамещающих материалов на основе полиэтиленгликоль диакрилата и октакальциевого фосфата на модели монокортикального диафизарного дефекта бедренной кости крысы : экспериментальное исследование. Травматология и ортопедия России. 2023;29(1):25-35. doi: 10.17816/2311-2905-2039.

17. Стогов М.В., Киреева Е.А., Дубиненко Г.Е., Твердохлебов С.И. Изучение скорости деградации материала состава полилактид/гидроксиапатит в зависимости от кристалличности структуры полимера. Гений ортопедии. 2023;29(6):591-595. doi: 10.18019/1028-4427-2023-29-6-591-595.

18. Хелминская Н.М., Эттингер А.П., Кравец В.И. и др. Сравнительная оценка регенерации костной ткани при ограниченных дефектах теменной кости (экспериментальное исследование на моделях животных). Российский медицинский журнал. 2018;24(4):180-184. doi: 10.18821/0869-2106-2018-24-4-180-184.

19. Попков А.В., Горбач Е.С., Горбач Е.Н. и др. Применение биоактивного биодеградируемого имплантата из поликапролактона для лечения остеохондральных дефектов: экспериментальное исследование. Гений ортопедии. 2023;29(6):615-628. doi: 10.18019/1028-4427-2023-29-6-615-628.

20. Рождественский А.А., Дзюба Г.Г., Ерофеев С.А. и др. Влияние синтетических имплантатов на основе фосфатов и силикатов кальция на процессы репаративной регенерации костной ткани. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2023;3:25-30. doi: 10.17513/mjpfi.13517.

21. Yano M, Yasui K, Jo JI, et al. Carbonate apatite versus β-tricalcium phosphate for rat vertical bone augmentation: A comparison of bioresorbable bone substitutes using polytetrafluoroethylene tubes. Dent Mater J. 2023;42(6):851-859. doi: 10.4012/dmj.2023-112.

22. Дубров В.Э., Климашина Е.С., Щербаков И.М. и др. Возможности получения и применения биоматериалов на основе гидрогелей для регенерации костной ткани человека. Вестник трансплантологии и внутренних органов. 2019;21(3):141-150. doi: 10.15825/1995-1191-2019-3-141-150.

23. Wen J, Song M, Zeng Y, Dong X. Effect of different HA/β-TCP coated 3D printed bioceramic scaffolds on repairing large bone defects in rabbits. J Orthop Surg (Hong Kong). 2023;31(3):10225536231222121. doi: 10.1177/10225536231222121.

24. Li Y, Xiao Y, Liu C. The Horizon of Materiobiology: A Perspective on Material-Guided Cell Behaviors and Tissue Engineering. Chem Rev. 2017;117(5):4376-4421. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00654.

25. Евдокимов П.В., Тихонова С.А., Киселева А.К. и др. Влияние размера пор на биологическую активность резорбируемых макропористых керамических материалов на основе β-Ca3 (PO4 )2 , полученных методом фотополимеризации. Журнал неорганической химии. 2021;66(11):1507-1513. doi: 10.31857/S0044457X21110064.

26. Schindelin J, Arganda-Carreras I, Frise E, et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat Methods. 2012;9(7):676- 682. doi: 10.1038/nmeth.2019.

27. Yang Y, Wang G, Liang H, et al. Additive manufacturing of bone scaffolds. Int J Bioprint. 2018;5(1):148. doi: 10.18063/IJB.v5i1.148.

28. Chen H, Han Q, Wang C, et al. Porous Scaffold Design for Additive Manufacturing in Orthopedics: A Review. Front Bioeng Biotechnol. 2020;8:609. doi: 10.3389/fbioe.2020.00609.

29. García-Lamas L, Sánchez-Salcedo S, Jiménez-Díaz V, et al. Desing and comparison of bone substitutes. Study of in vivo behavior in a rabbit model. Rev Esp Cir Ortop Traumatol. 2023;67(4):324-333. doi: 10.1016/j.recot.2022.12.002.

30. Анастасиева Е.А., Черданцева Л.А., Медведчиков А.Е. и др. Восстановление рентгеновской плотности кости при замещении дефектов кортикальной пластины тканеинженерной конструкцией в эксперименте. Acta Biomedica Scientifica. 2023;8(5):235 243. doi: 10.29413/ABS.2023-8.5.25.

31. Kim NH, Yang BE, On SW, et al. Customized three-dimensional printed ceramic bone grafts for osseous defects: a prospective randomized study. Sci Rep. 2024;14(1):3397. doi: 10.1038/s41598-024-53686-w.

32. Jiao J, Hong Q, Zhang D, et al. Influence of porosity on osteogenesis, bone growth and osteointegration in trabecular tantalum scaffolds fabricated by additive manufacturing. Front Bioeng Biotechnol. 2023;11:1117954. doi: 10.3389/fbioe.2023.1117954.

33. Seehanam S, Khrueaduangkham S, Sinthuvanich C, et al. Evaluating the effect of pore size for 3d-printed bone scaffolds. Heliyon. 2024;10(4):e26005. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e26005.

34. Wu R, Li Y, Shen M, et al. Bone tissue regeneration: The role of finely tuned pore architecture of bioactive scaffolds before clinical translation. Bioact Mater. 2020;6(5):1242-1254. doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.11.003.

35. Wang X, Nie Z, Chang J, et al. Multiple channels with interconnected pores in a bioceramic scaffold promote bone tissue formation. Sci Rep. 2021;11(1):20447. doi: 10.1038/s41598-021-00024-z.

36. Lim HK, Hong SJ, Byeon SJ, et al. 3D-Printed Ceramic Bone Scaffolds with Variable Pore Architectures. Int J Mol Sci. 2020;21(18):6942. doi: 10.3390/ijms21186942.

37. Shibahara K, Hayashi K, Nakashima Y, Ishikawa K. Effects of Channels and Micropores in Honeycomb Scaffolds on the Reconstruction of Segmental Bone Defects. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:825831. doi: 10.3389/fbioe.2022.825831.