Поведение имплантатов в костной ткани в различные сроки согласно МРТ-исследованию

Одним из важнейших вопросов в технике артроскопической реконструкции передней крестообразной связки остается выбор метода фиксации трансплантата.

Загородний Н., Королев А., Ахпашев А., Гнелица Н., Ильин Д.,
Хасаншин М.М., Лягин А.С.

Кафедра травматологии и ортопедии Российского университета дружбы народов

Городская клиническая больница № 31, г. Москва, Российская Федерация

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших вопросов в технике артроскопической реконструкции передней крестообразной связки остается выбор метода фиксации трансплантата. В настоящее время существует большое количество типов имплантатов для фиксации трансплантата передней крестообразной связки, при этом, в доступной нам литературе, нет четких данных о преимуществах тех или иных способах фиксации в зависимости от типа трансплантата [7, 8, 10, 11].

В тоже время, растет доля используемых имплантатов, выполненных из различных полимерных или биополимерных — рассасывающихся материалов [24], которые должны в разные сроки, в зависимости от их состава, замещаться костной тканью [18, 26]. При этом, в мировой литературе нет единого научного мнения об отдаленных результатах использования подобных рассасывающихся имплантатов в травматологии и ортопедии: от мнения невозможности замещения имплантата костной тканью [4], до выводов о замещении имплантата костной тканью в короткие сроки — до 36 недель [6, 1].

Хорошие отдаленные результаты применения рассасывающихся имплантатов, по различным данным, периодически подвергаются сомнению [15, 21, 28]. Критичными моментами при использовании рассасывающихся имплантатов до сих пор являются механическая прочность фиксации и фиксатора in vivo, которые могут меняться с течением времени [11, 13, 23]. 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 том числе составом сплава имплантата, особенностями кровоснабжения участка в области расположения фиксатора [9, 15, 17].

Одним из вопросов, заслуживающих пристального внимания и не имеющих однозначного ответа, является перестройка костных каналов, создаваемых во время операции для проведения трансплантата, и влияние подобной перестройки каналов на отдаленные результаты оперативного лечения нестабильности коленного сустава [14, 20, 27].

Материалы, применяемые для изготовления имплантатов, могут быть разделены на разные группы материалов: природные материалы, керамические материалы, различные металлы, композитные материалы, полимеры [29]. Полимеры разделяют на органические и неорганические, синтетические и несинтетические полимеры. В настоящее время наиболее широкое применение нашли имплантаты, выполненные из полигликолевой кислоты (PGA) и полимолочной кислоты (PLA), которые являются частично кристаллизованными с линейной структурой полимерами. Данные полимеры различаются друг от друга, имплантаты из PGA являются гидрофильными, а имплантаты из PLA — гидрофобными. PGA — это высоко кристаллизованный полимер линейной структуры, прозрачный при температуре 360 С, с точкой плавления 224-2280 С. PLA — высоко кристаллизованный линейный полимер с молекулярной массой 180000 — 530000 с L- (PLLA) или D- (PDLA) пространственной конфигурацией [12].

Деградация биополимеров в целом происходит следующим образом, полигликолевая кислота расщепляется до гликолевой кислоты, полимолочная кислота — до молочной кислоты, и в конечном итоге до пировиноградной кислоты с соответствующей формой ацетила коэнзима А, затем продукты деградации проходят через цикл Кребса с образованием Н2О и СО2 и небольшого количества энергии. Конечные продукты деградации выделяются из организма при помощи внешнего дыхания и в небольшом количестве с мочой [16]. Сроки полного расщепления и замещения имплантата костной тканью сильно отличаются в зависимости от типа полимера. Так, имплантаты из PGA полностью расщепляются в сроки до 36 недель [6], в тоже время, имплантаты из полимолочной кислоты расщепляются и замещаются костной тканью по данным разных авторов не ранее чем 7 лет после имплантации [19].

Нормальная гистологическая реакция на имплантат из биополимера проявляется неспецифической реакцией активации лимфоцитов — появлением макрофагов, гигантских многоядерных клеток инородного тела, небольших лимфоцитов и полиморфноядерных нейтрофилов [25].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

За период в 5 лет, с 2002 по 2006 гг. включительно, в клинике травматологии и ортопедии нами было произведено 502 операции реконструкции передней крестообразной связки аутотрансплантатами из связки надколенника и из сухожилий полусухожильной и нежной мышц. В разные сроки при помощи МРТ-исследования изучали состояние имплантатов и костных каналов. Обязательные сроки для клинического контроля с МР-томограммами были 3, 6 и 12 месяцев после операции, далее при необходимости.

Исследовали 81 случай результатов реконструкции ПКС с использованием рассасывающихся имплантатов.

п\п

Срок наблюдения

Имплантат

Количество

1

До 3-х месяцев

Винты Milagro, фиксаторы RigidFix, BioIntrafix (Depuy Mitek). Биодеградирующие винты Smith&Nephew, Arthrex, Stryker, Karl Storz.

15

2

3-6 месяцев

Винты Milagro, фиксаторы RigidFix, BioIntrafix (Depuy Mitek). Биодеградирующие винты Smith&Nephew, Arthrex, Stryker, Karl Storz.

15

3

6-12 мес

Винты Milagro, фиксаторы RigidFix, BioIntrafix (Depuy Mitek). Биодеградирующие винты Smith&Nephew, Arthrex, Stryker.

15

4

От 1 года до 2 лет

Винты Milagro, фиксаторы RigidFix, BioIntrafix (Depuy Mitek). Биодеградирующие винты Smith&Nephew, Arthrex, Stryker.

10

5

От 2 до 3 лет

Биодеградирующие винты Arthrex, Smith&Nephew, Stryker.

10

6

От 3 до 5 лет

Биодеградирующие винты Smith&Nephew, Arthrex, Stryker.

10

7

Более 5 лет

Биодеградирующие винты Arthrex, Smith&Nephew. BioTransfix (Arthrex)

6

Оценка степени деградации рассасывающихся имплантатов производилась по классификации Pistner et al. (Kalla T.P., et al. 1995)

Название фазы

Реакции ткани

1. Фаза заживления. Форма имплантанта не изменилась; развитие фиброзной капсулы, содержащей большое количество фибробластов.
2. Латентная фаза. Форма имплантанта не изменилась; фиброзная капсула становится тоньше, содержит меньше клеток и больше волокон; или присутствует непосредственный контакт имплантанта с костью
3. Фаза продолжительной резорбции. В основном, происходит деградация срединной части имплантанта; появляются трещины; проявляются клеточные реакции (от слабовыраженных до умеренных) с инвазией макрофагов и инородных гигантских клеток
4. Фаза прогрессирующей резорбции. Прогрессирующий распад/разложение имплантанта с возникновением серьезной/тяжелой реакции ткани (макрофаги, инородные гигантские клетки)
5. Фаза/стадия выздоровления. Не обнаружено никаких полимерных остатков; происходит образование рубцовой ткани или замещение костной тканью в области введения имплантанта

Оценка степени остеолиза вокруг имплантатов производилась по классификации Hoffmann et al. и Weiler et al. (Hoffmann G.O. 1995; Bergsma E.J., et al. 1993).

Остеолиз Рентгенологические результаты
О-0 Нет остеолиза Не никаких визуальных признаков остеолитических изменений
О-1 Слабовыраженный Происходят osteolytic (остеолизные/остеолитические) изменения в области введения имплантанта (область остеолиза составляет 1 мм или больше, чем диаметр имплантанта)
О-2 Умеренный Проявление расширенного кистозо-подобного остеолиза (область остеолиза составлет 3 мм или больше, чем диаметр имплантанта)
О-3Тяжелый/серьезный Confluence (слияние/превращение) остеолиза в resorption (всасывающую/ресорбционную) полость (при использовании более 1 имплантанта)
О-4 Нарушенное заживление Смещение перелома/повреждения; секвестрация перелома/повреждения или нарушение процесса заживления ткани, связанное с возникновением остеолиза (Рис.13В)

РЕЗУЛЬТАТЫ

В сроки до 3 месяцев от момента операции мы наблюдали во всех случаях «эталонное» состояние имплантатов, т.е. состояние имплантата, максимально приближенное к первоначальному (рис.1.) В данные сроки мы оцениваем исследованные случаи реконструкции ПКС по классификации Pistner et al., как стадия 1 — стадия заживления, по классификации степени остеолиза Hoffmann et al. и Weiler et al., как стадию 0 — нет никаких признаков остеолитических изменений.

Рис. 1-2

Рис. 1. 1,5 месяца после пластики ПКС аутотрансплантатом из связки надколенника с фиксацией интерферентным винтом BioRci (Smith&Nephew). Винт очень хорошо визуализируется в кости, признаков остеолиза нет.
Рис. 2. Умеренный остеолиз в области бедренного канала – проявление расширенного кистозо-подобного остеолиза (по Hoffmann et al. и Weiler et al.).

В сроки 3-6 месяцев во всех случаях мы отметили, что форма и конфигурация имплантатов не изменилась — фаза 1 по классификации Pistner et al. В 4 случаях мы отметили признаки слабовыраженного остеолиза и в 2 случаях признаки умеренного остеолиза (рис. 2.), при этом следует отметить, что все случаи остеолиза мы наблюдали при использовании сухожильного трансплантата.

При наблюдении за имплантатами в сроки 6-12 месяцев во всех мы также не отметили каких-либо значимых изменений в форме, положении и визуализации имплантатов — фаза 1 по классификации Pistner et al. В 5 случаях мы отметили признаки слабовыраженного остеолиза и в 1 случае признаки умеренного остеолиза (рис. 3.). В этой группе случаев остеолиза 1 случай — трансплантат из связки надколенника, во всех остальных — сухожильный трансплантат. Следует также отметить, что более выраженный остелиз можно наблюдать даже не на границе сред «кость-имплантат», а в области внутрикостной части трансплантата, которая не фиксирована имплантатом.

Рис. 3-4

Рис.3. Пример остеолиза в области большеберцового канала, при этом в пределах винта определяются признаки слабовыраженного остеолиза, а в области прилежащей к полости сустава степень остеолиза приблежается к умеренному.
Рис.4. Умеренный остеолиз в области бедренного канала, несостоятельность сухожильного трансплантата через 1 год после операции.

В группе наблюдения в сроки от 1 года до 2 лет из 10 случаев мы отметили 3 случая слабовыраженного остеолиза и 1 случай умеренного остеолиза, при этом 1 случай умеренного остеолиза был расценен нами как несостоятельность трансплантата (рис. 4.). Во всех остальных случаях состояние трансплантата не вызывало опасений.

По результатам МРТ-исследований состояние имплантатов во всех случаях можно оценить либо как латентную фазу, либо как фазу продолжительной резорбции, т.к. положение, форма и визуализация имплантатов не изменилась, при этом отчетливо видно плотное прилежание имплантата к костной ткани (рис. 5.)

Рис. 5-6

Рис.5. Визуализация рассасывающегося винта через 2 года после операции.
Рис.6. МРТ коленного сустава после операции, выполненная на низкопольном томографе.

В результате изучения в группе наблюдений в сроки от 2 до 3 лет можно сделать следующие выводы: имплантаты из биодеградирующих материалов визуализируются очень хорошо, но следует отметить, что МР-картина имплантата сильно зависит от качества магнитно-резонансного томографа, при этом, чем выше напряженность магнитного поля при исследовании, тем детальнее определяются мелкие детали имплантатов (рис. 6.).

В группе исследованных пациентов через 3-5 лет после реконструкции ПКС с использованием рассасывающихся имплантатов во всех случаях мы наблюдали правильное расположение имплантатов, при этом визуализация их отличалась от наблюдений в более ранние сроки незначительно, что можно соотносить с качеством проведенного исследования (рис. 7.). В 3 случаях из 10 мы отметили признаки слабовыраженного остеолиза в области прилегания трансплантата к костной ткани, при этом 2 случая из 3 с использованием сухожильного трансплантата (рис. 8.).

Рис. 7-8

Рис.7. Рассасывающийся винт в большеберцовой кости через 4 года от момента операции.
Рис.8. Визуализация фиксатора BioTransfix (Arthrex) через 4 года от момента операции. Нет признаков остеолиза покруг имплантата, признаки слабовыраженного остеолиза в области проведения трансплантата ПКС.

При сроке наблюдения более 5 лет (максимальный срок наблюдения 6 лет и 6 месяцев) биодеградирующие имплантаты визуализируются практически также как и в предыдущей группе (рис. 9.), т.е. положение имплантатов не менялось, но следует отметить, что контуры имплантатов в 2-х наблюдениях сглаживались (рис. 10.), что может свидетельствовать о наступлении стадии прогрессирующей резорбции имплантата.

Рис. 9-10

Рис.9. Визуализация биодеградирующего имплантата через 5 лет от момента операции.
Рис.10. Рассасывающийся винт в большеберцовой кости через 5 лет от момента операции.

Степень остеолиза вокруг имплантата и трансплантата в 3 случаях определили как слабовыраженный, т.е. выраженность остеолиза не нарастала, процесс стагнировал. Также следует отметить, что ни водном случае мы не отметили возможность замещения рассасывающегося имплантата костной тканью. Вообще, трудно говорить о полноценном восстановлении дефектов костной ткани после оперативных вмешательств, особенно в свете замещения костью химических имплантатов (рис. 11).

Рис. 11


Рис. 11. Каналы в мыщелке бедренной кости через 5 лет от момента операции.

ВЫВОДЫ

Имплантаты из полимолочной кислоты находятся в живой кости не менее 5 лет. Во всех наших наблюдениях не было ни одного случая замещения рассасывающегося имплантата из полимолочной кислоты костью в указанные сроки. Остеолиз в области костного канала наиболее выражен в области расположения трансплантата, а в области имплантата не превышает степень слабовыраженного, при этом выраженность остеолиза нарастает в течение 1,5-2 лет после операции, затем процесс затормаживается.

Результаты наблюдений по данным МРТ после реконструкции ПКС с использованием биодеградирующих имплантатов
п\п Сроки наблюдени я трансплантат Степень деградации имплантата -количество Степень остеолиза количество
1 До 3-х месяцев ВТВ 2 Фаза заживления -2 0 2
hamstring 13 Фаза заживления -13 0 13
2 3-6 месяцев ВТВ 3 Фаза заживления -3 0 0
hamstring 12 Фаза заживления -12 1 2 4 2
3 6-12 мес ВТВ 2 Фаза заживления -2 1 1
hamstring 13 Фаза заживления -13 1 2 4 1
4 От 1 годадо 2 лет ВТВ 3 Латентная фаза — 3 1 1
hamstring 7 Латентная фаза — 7 1 2 2 1
5 От 2 до 3 лет ВТВ 4 Фаза продолжительной резорбции (?) — 4 1 2
hamstring 6 Фаза продолжительной резорбции (?) — 6 1 1 13
6 От 3 до 5 лет ВТВ 5 Фаза продолжительной резорбции — 5 1 1
hamstring 5 Фаза продолжительной резорбции — 5 1 2
7 Более 5 лет ВТВ 4 Фаза продолжительной резорбции / Фаза прогрессирующей резорбции — 4 1 2
hamstring 2 Фаза продолжительной резорбции / Фаза прогрессирующей резорбции — 2 1 1

ЛИТЕРАТУРА

  1. Bach B.R., Warren R.F., Flynn W.M. et al. Arthrometric evaluation of knees that have a torn anterior cruciate ligament.//J. Bone Joint Surg. Am.- 1990.-12-A.- P.1299-1306.
  2. Barber F.A. Accelerated rehabilitation for meniscus repairs.//Arthroscopy.-1994.-10.- P.206-210.
  3. Barber F.A. Tripled Semitendinosus-cancellous bone anterior cruciate ligament reconstruction with bio-screw fixation. Arthroscopy 1999;14: 360-367.
  4. Bergsma E., Bruijn W., Rozema F., Bos R., Boering G. Late degradation tissue response to poly(L-lactide) bone plates and screws. Biomaterials 1995; 16 : 25-31.
  5. Bergsma E.J., Rozema F.R., Bos RRM, de Bruijn W.C. Foreign body reactions to resorbable poly(L-lactide) bone plates and screws used for the fixation of unstable zygomatic fractures. J Oral Maxillofac Surg 1993; 51 : 666-670.
  6. Bostman O, Paivarinta U, Partio E, Vasenius J, Manninen M, Rokkanen P. Degradation and tissue replacement of an absorbable polyglycolide screw in the fixation of rabbit femoral osteotomies. J Bone Joint Surg, 74A: 1021-1031, 1992.
  7. Bostman O., Pihlakamaki H. Late foreign-body reaction to an intraosseous
    bioabsorbable polylactide acid screw. J Bone Joint Surg Am 1998; 80 : 1791-1794.
  8. Brown C.H., Hecker AT, Hipp JA, Myers ER, Hayes WC. The biomechanics of interference screw fixation of patellar tendon anterior cruciate ligament grafts. Am J Sports Med, 21: 880-886, 1993.
  9. Claes L.E., Ludwig J., Margevicius K.J., Durselen L. Biological response to ligament wear particles. J Appl Biomater 1995; 6 : 35-41.
  10. Colombet P., Robinson J., Jambou S., Allard M., Bousquet V., De Lavigne C. Two-bundle, four-tunnel anterior cruciate ligament reconstruction. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2005 Dec ; 9 : 1-8.
  11. Daniels A.U., Taylor M.S., Andriano K.P., Heller J. Toxicity of absorbable polymers proposed for fracture fixation devices. Presented at the 38th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, San Francisco, 1992.
  12. Eling B, Gogolewski S, Pennings AJ. Biodegradable materials of poly(l-lactic acid): 1. Meltspun and solution spun fibers. Polymer, 23: 1587-1593, 1982.
  13. Fischer J.H., Ruffieux K., Jeschkeit S., Heidemann W., Gerlach K.L., Wintermantel E. In vivo versus in vitro evaluation of poly(D,L)lactide rods including calcium phosphate particles. Presented at the International Symposium on Biodegradable Materials, Hamburg, 1996.
  14. Fu F.H., Ma C.B. Anterior cruciate ligament reconstruction using quadruple hamstrings. Oper Tech Orthop 9, 1999: 264-272.
  15. Hoffmann G.O. Biodegradable implants in traumatology: A review on the state-of-the-art. Arch Orthop Trauma Surg 1995; 114 : 123-132.
  16. Hollinger J.O., Battistone G.C. Biodegradable bone repair materials. Synthetic polymers and ceramics. Clin Orthop 1986; 207 : 290-305.
  17. Ignatius A.A., Claes L.E. In vitro biocompatibility of bioresorbable polymers: Poly(L,DL-lactide) and poly(L-lactide-co-glycolide). Biomaterials 1996; 17 : 831-839.
  18. Johnson L. Comparison of bioabsorbable and metal interference screw in anterior cruciate ligament reconstruction — a clinical trail. Proc AAOSM 1995, Orlando, FL.
  19. Jukkala-Partio K, Laitinen O, Vasenius J, Partio EK, Toivonen T, Tervahartiala P, Kinnunen J, Rokkanen P. Healing of subcapital femoral osteotomies fixed with self-reinforced poly-Llactide screws. An experimental long-term study in sheep. Arch Orthop Trauma Surg, 122: 360-364, 2002.
  20. Lajtai G, Schmiedhuber G, Unger F, Aitzetmuller G, Klein M, Noszian I, Orthner E. Bone tunnel remodeling at the site of bio-degradable interference screws used for anterior cruciate ligament reconstruction—Five year follow up. Arthroscopy 2001; 17 — 597-602.
  21. Lam K.H., Schakenrad J.M., Esselbrugge H., Feijen J., Nieuwenhuis P. The effect of phagocytosis of poly(L-lactic acid) fragments on cellular morphology and viability. J Biomed Mater Res 1993; 27 : 1569-1577.
  22. Mainil-Varlet P., Cordey J., Gogolewski S. Positional stability of loylactide
    pins with various sufrace texture in the sheep tibia. J Biomed Mater Res 1997; 34 : 351-359.
  23. Mainil-Varlet P., Rahn B., Goglewski S. Long-term in vivo degradation and
    bone reaction to various polylactides. One-year results. Biomaterials 1997; 18 : 257-266.
  24. Pertti T. Bioabsorbable implants in knee surgery. Academic dissertation.
  25. Santavirta S, Konttinen YT, Saito T, Gronblad M, Partio E, Kemppinen P, Rokkanen P. Immune response to polyglycolic acid implants. J Bone Joint Surg, 72B: 597-600, 1990.
  26. Stahelin AC, Weiler A. All-inside anterior cruciate ligament reconstruction
    using semitendinosus tendon and soft-threaded biodegradable interference screw fixation. Arthroscopy, 13: 773-779, 1997a.
  27. Strobel M.J., Manual of arthroscopic surgery. — Springer, 2003: pp.1049.
  28. Toljan M., Orthner E., Reichel M. Bone block fixation with resorbable interference screw: an MRI and immunohistomechanical study. Pros ESSKA 1994; Berlin, Germany.
  29. Tormala P, Pohjonen T, Rokkanen P. Bioabsorbable polymers: materials technology and surgical applications. Proc Instn Mech Engrs, 212: 101-111, 1998.