XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Остеоинтеграцией называется контакт между костью и имплантом, с точки зрения гистологии данное определение можно описать, как прямую фиксацию импланта путем образования вокруг нее костной ткани, без роста фиброзной ткани, на границе кость-имплант. Поскольку у гистологических определений есть некоторые недостатки, в основном то, что они имеют ограниченное клиническое применение, было предложено другое, более биомеханически ориентированное определение остеоинтеграции: «Процесс, посредством которого достигается и поддерживается клинически бессимптомная жесткая фиксация аллопластических материалов в кости во время функциональной нагрузки» [1].

Сам процесс остеоинтеграции разделяют на 3 этапа. В первый, в 1-2 сутки происходит образование первичного матрикса на поверхности импланта. Учеными замечено, что происходит появление на поверхности импланта фибрина, глобулярных белков, так же происходит адгезия на поверхности мононуклеаров и их преобразование в макрофаги, первичное прикрепление стволовых клеток, часть из которых трансформируется в фибробласты, так же вместе с этим синтезируется коллаген 2 и 3 типа. После чего остеогенные клетки прикрепляются к волокнам фибрина и начинается их дифференцировка [Рис.1]

Во вторую стадию на поверхности «прекостного матрикса», происходит дифференциация костеобразующих клеток из их предшедственников, под действием факторов роста, которые поступают из матрикса материнской кости, за счет ее резорбции. Так же костеобразующими клетками и фибробластами начинает образовываться коллаген 1 типа. В стенке происходит остеокластическая резорбция, и начинают скапливаться вещества учавствующие в построение костного вещества, к ним относят: остеопонтин, остеокалцин, протеогликаны, фибронектин, глюкозаминогликаны и другие [Рис.2]

Третью стадию называют фазой вторичной перестройки, она начинается на 7-14 сутки, с момента формирования остеоидного матрикса. Характеризуется тем , что в участках резорбции, происходит формированием юной трабекулярной ткани [Рис. 3]. В дальнейшем процесс вторичной перестройки продолжается 12 месяцев и более, в результате чего происходит замена несовершенной новообразованнойи костной ткани функционально детерминированными зрелыми костными структурами [2].

Рис.1. Миграция остеогенных клеток к имплантату. [3]

Рис.2. Непосредственное костное образование. [3]

Рис.3 Структурная перестройка кости [3]

При это полученная стабильная фиксация со временем за счет образования частиц и ионов титана и титанового сплава, влияет на окружающие ткани.

Известно, что диоксид титана образует и покрывает поверхность имплантата, что делает его очень устойчивым к коррозии. Однако в недавних исследованиях частицы имплантатов были обнаружены в периимплантатных тканях, что может убедительно свидетельствовать о том, что на титановом имплантате произошел коррозионный процесс, так же говорится о том, что коррозия является значительной в условиях с низким pH или высокой концентрацией фтора (что характерно для ротовой полости). Проводились цитологические тесты, в которых наблюдали частицы внутри и снаружи эпителиальных клеток, и макрофагов, которые высвобождаются из-за трения между имплантатом и поверхностью кости во время установки, износа во время санации во время профилактических осмотров и коррози. В других исследованиях, авторы сделали выводы, что сплав металла титана (Ti-Al-V) увеличивал высвобождение индуцирующих воспаление медиаторов, таких как простагландин E2, интерлейкин-1, интерлейкин-6 и фактор некроза опухоли. Они подразумевают, что частицы изношенного Ti-Al-V могут индуцировать высвобождение медиаторов воспаления, образовавшийся комплекс между белком и металлическими частицами вызывает реакцию лимфоцитов, воздействуя на ткани, окружающие протез, и вызывать остеолиз. По мимо этого высвободившиеся ионы Ti могут быть вовлечены в ухудшение последствий периимплантационного мукозита, который может перерасти в периимплантит, сопровождающийся резорбцией альвеолярной кости [4].

В исследовании Кулакова, В. А. Бадаляна, З. М. Степаняна использовалась титановская нить для направленной костной регенерации, в результате которого было выявлено 3 случая из 25, в которых возникали ранние или поздние осложнения. Ранние послеоперационные осложнения были выявлены у 2 людей: без гнойного отделяемого и с гнойным отделяемым, поздние – у 1 пациента с образованием в результате абцесса [5]

Понимание и контроль межфазных реакций на нано уровне является ключом к разработке новых поверхностей имплантов, которые исключат отторжение и будут способствовать адгезии и интеграции с окружающими тканями.

Одним из перспективных биоматериалов для имплантов является нитрид кремния. Кремний сам по себе не является биологически активным, однако наномасштабное травление может формировать рифленые поверхности кремния и повышать его биоразлагаемость с выделением кремниевой кислоты. Его высвобождение может ингибировать резорбцию кости остеокластами. С другой стороны, состав N важен для биогенной активации. Поэтому многие исследователи предположили, что как Si, так и N могут способствовать остеогенной способности Si ₃ N ₄. 

Другие ученые исследовали влияние ионов кремния и азота, высвобождаемых с поверхности Si ₃ N₄ с помощью комбинационного рассеяния, инфракрасного спектра с преобразованием Фурье, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и гистологического анализа. Результаты впервые показали, что элементы Si и N могут стимулировать как остеосаркому, так и дифференцировку мезенхимальных клеток и активность остеобластов, тем самым увеличивая скорость роста костей. 

Основными механическими свойствами данного соединения являются прочность на излом, вязкость на излом и сопротивление усталости. Динамический процесс разрушения может распределить ударную нагрузку по большей площади и увеличить время воздействия ударной нагрузки, тем самым снизив нагрузку на опорную конструкцию. Свойства материала, локализация, геометрия и условия поверхности раздела являются важными параметрами, влияющими на разрушение. Например, прочность на излом Si ₃ N ₄ можно регулировать, контролируя размер и количество крупных удлиненных зерен в мелкозернистой матрице, сопротивление разрушению, вязкость разрушения будет варьироваться из-за различных методов обработки и несопоставимых методов тестирования.

При исследовании Si ₃ N ₄ обрабатывали мощным импульсным лазером для получения Si ₃ N ₄с различной стехиометрией поверхности. Затем клетки остеосаркомы человека (SaOS-2) использовали для проверки остеогенного поведения образцов с различным атомным соотношением Si/N. Результаты показали, что увеличение содержания азота способствует пролиферации клеток. Это исследование также показало, что как Si, так и N играют синергетическую роль в остеогенезе.

Si3N4+6 H2O→3 SiO2+4 NH3

SiO2+2 H2O→Si(OH)4

При помещении Si ₃ N ₄ в водный раствор происходит ковалентный разрыв связи Si-N. Самопроизвольное выделение аммиака в сочетании с образованием гидратированного слоя диоксида кремния на поверхности будет синергетически взаимодействовать с человеческим организмом.

С одной стороны, модифицированные аммиаком поверхности способствуют активности остеобластов, обеспечивая ковалентное связывание белков. С другой стороны, высвобождение аммиака, также может способствовать образованию силанольных групп, тем самым усиливая общее образование ядер гидроксиапатита.

Si может стабилизировать молекулы костного матрикса и предотвращать ферментативную деградацию, связываясь с макромолекулами гликозаминогликанов и способствуя образованию поперечных связей между протеогликанами и коллагеном.

Так же Si ₃ N ₄ обладает антибактериальной эффективностью. Это дает положительный эффект для дальнейшей остеоинтеграции. Так, образующаяся биопленка на поверхности, состоящая из колонизированных бактерий, способствующих развитию патологических процессов, которые, в свою очередь, влияют на развитие кости вокруг импланта.

Группа ученых оценила имплантированные Si ₃ N ₄, и титан в модели свода черепа крыс в их исследовании процент гистологического количества бактерий на поверхности импланта составил 0%, 21% для Si ₃ N ₄ и титана соответственно через три месяца после операции [6].

Таким образом использование Si ₃ N ₄ в качестве материала для имплантов, имеет хорошую перспективу в использовании, так как данный материал, как и титан, обладает хорошей биосовместимостью, низкой сенсибилизацией по отношению к окружающим тканям и дополнительными качествами, которые дают преимущество нитриду кремния, в отличии от титана: уменьшение времени остеоинтеграции и улучшение образование системы кость-имплант, тем самым уменьшая риск отторжение имплантов.

Список литературы:

Albrektsson T, Johansson C. Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration. Eur Spine J. 2001 Oct;10Suppl 2(Suppl 2):S96-101. doi: 10.1007/s005860100282. PMID: 11716023; PMCID: PMC3611551.

М. С.. Дентальная имплантология: хирургические аспекты: научное издание/ М. С. Блок ; под общ. ред. М. В. Ломакина ; [пер. с англ. Д. Штанникова]. - М.: МЕДпресс-информ, 2011.

Алейникова, Е. В. Современная концепция остеоинтеграции дентальных имплантатов / Е. В. Алейникова, А. Б. Шабанович // Медицинский журнал. - 2006. -№ 4 (18)

Kim KT, Eo MY, Nguyen TTH, Kim SM. General review of titanium toxicity. Int J Implant Dent. 2019 Mar 11;5(1):10. doi: 10.1186/s40729-019-0162-x. PMID: 30854575; PMCID: PMC6409289.

Осложнения при проведении направленной костной регенерации с применением мембраны на основе титановой нити "Титановый шелк" / А. А. Кулаков, В. А. Бадалян, З. М. Степанян [и др.]. - Текст: непосредственный // Стоматология. - 2020. - Т. 99, № 6. - С. 28-32.

Du X, Lee SS, Blugan G, Ferguson SJ. Silicon Nitride as a Biomedical Material: An Overview. Int J Mol Sci. 2022 Jun 11;23(12):6551. doi: 10.3390/ijms23126551. PMID: 35742996; PMCID: PMC9224221.

Код для цитирования: Скопировать