Traumatology and Orthopedics of RussiaTraumatology and Orthopedics of RussiaТравматология и ортопедия России2311-29052542-0933Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics100610.21823/2311-2905-2018-24-2-95-107Theoretical and experimental studiesТеоретические и экспериментальные исследованияTheoretical and experimental studiesBONE AND SOFT TISSUES INTEGRATION IN POROUS TITANIUM IMPLANTS (EXPERIMENTAL RESEARCH)КОСТНАЯ И МЯГКОТКАННАЯ ИНТЕГРАЦИЯ ПОРИСТЫХ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)TikhilovR. M.ТихиловР. М.
Russian Federation

Rashid M. Tikhilov — Dr. Sci. (Med.), professor, director; professor of Traumatology and Orthopedics.

Department

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg; 41, Kirochnaya ul., 191015, St. Petersburg.

Тихилов Рашид Муртузалиевич — д-р мед. наук, профессор, директор; профессор кафедры травматологии и ортопедии.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург; Ул. Кирочная, д. 41, 191015, Санкт-Петербург.ShubnyakovI. I.ШубняковИ. И.
Russian Federation

Igor I. Shubnyakov — Dr. Sci. (Med.), chief researcher.

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg.

Шубняков Игорь Иванович — д-р мед. наук, главный научный сотрудник.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург.DenisovA. O.ДенисовА. О.
Russian Federation

Alexei O. Denisov – Cand. Sci. (Med), academic secretary.

 

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg.

Денисов Алексей Олегович — канд. мед. наук, Ученый секретарь, заведующий научным отделением патологии тазобедренного сустава.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург.

KonevV. A.КоневВ. А.
Russian Federation

Vladimir A. Konev — Cand. Sci. (Med.), researcher, Research Department of Experimental Morphology.

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg.

Конев Владимир Александрович — канд. мед. наук, научный сотрудник экспериментального морфологического отделения.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург.

GofmanI. V.ГофманИ. В.
Russian Federation

Iosif V. Gofman — Cand. Sci. (Chem.), senior researcher, Laboratory of Polymers and Composite Materials Mechanics.

31, Bol’shoi pr., 199004, St. Petersburg.

Гофман Иосиф Владимирович — канд. хим. наук, старший научный сотрудник лаборатории механики полимеров и композиционных материалов.

В.О., Большой пр., д. 31, 199004, Санкт-Петербург.MikhailovaP. M.МихайловаП. М.
Russian Federation

Polina M. Mikhailova — researcher, Research Department of Hip Pathology.

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg.

Михайлова Полина Михайловна — младший научный сотрудник научного отделения нейроортопедии с костной онкологией.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург.mihaylova_pm@mail.ruNetylkoG. I.НетылькоГ. И.
Russian Federation

Georgy I. Netylko — head of the Research Department of Experimental Morphology.

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg.

Нетылько Георгий Иванович — д-р мед. наук, заведующий экспериментально-морфологическим отделением.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург.

VasilievA. V.ВасильевА. В.
Russian Federation

Andrej V. Vasil’ev – Cand. Sci. (Med.), senior researcher, Laboratory of Stem Cell Genetics.

1, ul. Moskvorech’e, 115522, Moscow.

Васильев Андрей Вячеславович — канд. мед. наук, старший научный сотрудник лаборатории генетики стволовых клеток.

Ул. Москворечье, д. 1, 115522, Москва.

AnisimovaL. O.АнисимоваЛ. О.
Russian Federation

Larisa O. Anisimova — senior researcher, Research Department of Experimental Morphology.

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg.

Анисимова Лариса Осиповна — старший научный сотрудник экспериментально-морфологического отделения.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург.

BilykS. S.БилыкС. С.
Russian Federation

Stanislav S. Bilyk — researcher, Research Department of Hip Pathology.

8, ul. Akad. Baykova, 195427, St. Petersburg.

Билык Станислав Сергеевич — лаборант-исследователь научного отделения патологии тазобедренного сустава.

Ул. Акад. Байкова, д. 8, 195427, Санкт-Петербург.

Vreden Russian Research Institute of Traumatology and OrthopedicsФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава РоссииMechnikov North-Western State Medical University.ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России.Vreden Russian Research Institute of Traumatology and Orthopedics.ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России.Institute of macromolecular compounds, Russian academy of sciences.ФГБУН «Институт высокомолекулярных соединений» Российской Академии наук.Medical Genetics Research Center.ФГБНУ «Медико-генетический научный центр».06072018242951070607201806072018https://journal.rniito.org/jour/article/view/1006

Aim. It’s common that revision arthroplasty of the large joints demands replacing of bone defects of irregular geometrical shapes and simultaneous restoring of support ability and ability to integrate surrounding muscular and tendinous structures into an implant that is required for a complete restoration of joint function.

The purpose. To experimentally study the process of integration for muscular and bone tissue as well as tendinous and ligamentous structures into porous titanium materials.

Material and methods. During in vivo experiment the authors created a standardized bone defect in 6 rabbits of chinchilla breed at the point of patella ligament attachment as well as a delamination area of muscular tissue in latissimus dorsi. Both knee joints and both latissimus dorsi were used in each animal. Study group included titanium implants with three-dimensional mesh structure. Control group — solid titanium implants with standard porosity. Titanium implants were produced by additive technologies with preliminary prototyping. The porosity corresponded to trabecular metal, striations — 0.45, pores size —100–200 microns. Study and control components were implanted in the identical conditions into the corresponding anatomical sites. Postoperative AP and lateral roentgenograms of knee joints were performed for all animals. Morphological research was conducted on day 60 after the implantation and strength properties were studied at day 90 after the implantation.

Results. The authors observed bony ingrowth into implant pores with minimal volume of fibrous tissue, a distinct connective integration was reported represented by a dense fibrous tissue in the pores of components implanted into the muscular tissue. Testing of fixation strength of the study implants demonstrated a clearly superior strength of soft and bone tissue integration into the experimental mesh implants produced using additive technologies.

Актуальность. При ревизионном эндопротезировании крупных суставов как правило возникает необходимость замещения костных дефектов сложной геометрической формы с одновременным воссозданием опоры и возможностью интеграции окружающих мышечных и сухожильных структур в имплантат, что необходимо для полноценного восстановления функции сустава.

Цель — изучить в эксперименте процессы интеграции мышечной и костной тканей, а также сухожильно-связочного аппарата в титановые пористые материалы.

Материал и методы. В эксперименте in vivo 6 кроликам породы шиншилла был создан стандартизированный дефект костной ткани в точке прикрепления сухожилия связки надколенника, а также зона расслоения мышечной ткани широчайшей мышцы спины. У каждого животного использовали оба коленных сустава и обе широчайшие мышцы спины. Опытную группу исследования составили титановые образцы с пространственной сетчатой структурой, контрольную — цельные титановые образцы со стандартной пористостью. Титановые образцы были получены путем аддитивных технологий с предварительным прототипированием. Пористость соответствовала трабекулярному металлу, страты — 0,45, размер пор 100–200 мкм. Образцы исследуемых материалов были имплантированы в одинаковых условиях в соответствующие анатомические участки. Морфологические исследования были выполнены на 60-е сутки после оперативного лечения, исследования прочностных свойств — на 90-е сутки.

Результаты. Выявлено прорастание костной ткани в поры имплантатов с минимальным количеством фиброзной ткани, обнаружена отчетливая соединительнотканная интеграция, представленная плотной фиброзной тканью в порах материала, имплантированного в мышечную ткань. При исследовании прочности фиксации тестируемых образцов отчетливо демонстрируется превосходящая прочность интеграции мягких и костной тканей в опытные сетчатые имплантаты, изготовленные с помощью аддитивных технологий.

Заключение. Исследование открывает широкие перспективы применения высокопористых титановых имплантатов, изготовленных методом 3D-печати, для восстановительной и ревизионной хирургии в отношении как замещения костных дефектов, так и восстановления поврежденных мышц.

integration of soft tissuebony integrationporous titanium implantsexperimental modelbone defectadditive technologiesинтеграция мягких тканейкостная интеграцияпористые титановые имплантатыэкспериментальная модельдефект костной тканиаддитивные технологии1. Шубняков И.И., Тихилов Р.М., Николаев Н.С., Григоричева Л.Г., Овсянкин А.В., Черный А.Ж. и др. Эпидемиология первичного эндопротезирования тазобедренного сустава на основании данных регистра артропластики РНИИТО им. Р.Р. Вредена. Травматология и ортопедия России. 2017;23(2): 81-101. DOI: 10.21823/2311-2905-2017-23-2-81-101.2. K urtz S., Mowat F., Ong K., Chan N., Lau E., Halpern M. Prevalence of primary and revision total hip and knee arthroplasty in the United States from 1990 through 2002. J Bone Joint Surg Am. 2005;87(7):1487-1497. D OI: 10.2106/JBJS.D.02441.3. K urtz S., Ong K., Lau E., Mowat F., Halpern M. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030. J Bone Joint Surg Am. 2007;89(4):780-785. DOI: 10.2106/JBJS.F.00222.4. Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Коваленко А.Н., Тотоев З.А., Лю Б., Билык С.С. Структура ранних ревизий эндопротезирования тазобедренного сустава. Травматология и ортопедия России. 2014;(2):5-13. DOI: 10.21823/2311-2905-2014-0-2-5-13.5. Brown J.M., Mistry J.B., Cherian J.J., Elmallah R.K., Chughtai M., Harwin S.F., Mont M.A. Femoral component revision of total hip arthroplasty. Orthopedics. 2016;39(6):1129-1139. D OI: 10.3928/01477447-20160819-06.6. Huang C., Qin L., Yan W., Weng X., Huang X. Clinical evaluation following the use of mineralized collagen graft for bone defects in revision total hip arthroplasty. Regen Biomater. 2015;4(2):245-249. DOI: 10.1093/rb/rbv022.7. Garcia-Cimbrelo E., Garcia-Rey E., Cruz-Pardos A. The extent of the bone defect affects the outcome of femoral reconstruction in revision surgery with impacted bone grafting: a five- to 17-year follow-up study. J Bone Joint Surg Br. 2011;93(11):1457-1464. D OI: 10.1302/0301-620X.93B11.27321.8. Алиев М.Д. Злокачественные опухоли костей. Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. 2010;(2):3-8.9. Антонов А.К., Цымбал М.В., Антонов Ю.К., Осипов А.В., Гречко А.Т. Металлополимерное эндопротезирование костей при первичных и вторичных опухолях опорно-двигательного аппарата у больных пожилого возраста. Клиническая геронтология. 2008;14(4):34-38.10. Han G., Wang Y., Bi W. Reconstruction using massive allografts after resection of extremity osteosarcomas the study design: A retrospective cohort study. Int J Surg. 2015;21:108-111. D OI: 10.1016/j.ijsu.2015.07.686.11. Gosal G.S., Boparai A., Makkar G.S. Long-term outcome of endoprosthetic replacement for proximal femur giant cell tumor. Niger J Surg. 2015;21(2):143-145. D OI: 10.4103/1117-6806.162583.12. Barut N., Anract P., Babinet A., Biau D. Periprosthetic fractures around tumor endoprostheses: a retrospective analysis of eighteen cases. Int Orthop. 2015;39(9):1851-1856. DOI: 10.1007/s00264-015-2915-3.13. Карякин Н.Н., Горбатов Р.О. Прецизионные персонифицированные направители для эндопротезирования коленного сустава. Современные проблемы науки и образования. 2016;(5):23.14. Wong K.C., Kumta S.M., Geel N.V., Demol J. One-step reconstruction with a 3D-printed, biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection. Comput Aided Surg. 2015;20(1):14-23. D OI: 10.3109/10929088.2015.1076039.15. Сафина Н., Сафронова Т., Баринов С. Биокерамика в медицине. Стекло и керамика. 2007;(2):34-36.16. Чеканов А.С., Волошин В.П., Лекишвили М.В., Очкуренко А.А., Мартыненко Д.В. Реконструкция тазобедренного сустава деминерализованными аллоимплантатами при ревизионном эндопротезировании. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2015;(1):43-46.17. Chvapil M., Holusa R., Kliment K., Stoll M. Some chemical and biological characteristics of a new collagen-polymer compound material. J Biomed Muter Res. 1969;3(2):315-322.18. Donath K., Breuner G. A method for the study of undecalcified bones and teeth with attached soft tissues. The Säge-Schliff (sawing and grinding) technique. J Oral Pathol. 1982;11(4):318-326.19. Васильев А.В., Волков А.В., Большакова Г.Б., Гольдштейн Д.В. Характеристика неоостеогенеза на модели критического дефекта теменных костей крыс с помощью традиционной и трёхмерной морфометрии. Гены и клетки. 2014;4:121-127.20. Hayes J.S., Klöppel H., Wieling R., Sprecher C.M., Richards R.G. Influence of steel implant surface microtopography on soft and hard tissue integration. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2018;106(2):705-715. D OI: 10.1002/jbm.b.33878.21. van Dijk I.A., Beker A.F., Jellema W., Nazmi K., Wu G., Wismeijer D. et al. Histatin 1 enhances cell adhesion to titanium in an implant integration model. J Dent Res. 2017;96(4):430-436. DOI: 10.1177/0022034516681761.22. Yamada M., Ueno T., Minamikawa H., Ikeda T., Nakagawa K., Ogawa T. Early-stage osseointegration capability of a submicrofeatured titanium surface created by microroughening and anodic oxidation. Clin Oral Implants Res. 2013;24(9):991-1001. D OI: 10.1111/j.1600-0501.2012.02507.x.23. Tsukimura N., Ueno T., Iwasa F., Minamikawa H., Sugita Y., Ishizaki K. et al. Bone integration capability of alkaliand heat-treated nanobimorphic Ti-15Mo-5Zr-3Al. Acta Biomater. 2011;7(12):4267-4277. D OI: 10.1016/j.actbio.2011.08.016.24. Ueno T., Tsukimura N., Yamada M., Ogawa T. Enhanced bone-integration capability of alkali- and heat-treated nanopolymorphic titanium in micro-to-nanoscale hierarchy. Biomaterials. 2011;32(30):7297-7308. D OI: 10.1016/j.biomaterials. 2011.06.033.25. Fradique R., Correia T.R., Miguel S.P., de Sá K.D., Figueira D.R., Mendonça A.G., Correia I.J. Production of new 3D scaffolds for bone tissue regeneration by rapid prototyping. J Mater Sci Mater Med. 2016;27(4):69. D OI: 10.1007/s10856-016-5681-x.26. Ries M.D., Cabalo A., Bozic K.J., Anderson M. Porous tantalum patellar augmentation: the importance of residual bone stock. Clin Orthop Relat Res. 2006;452: 166-170. DOI: 10.1097/01.blo.0000229359.27491.9f.27. Kwong Y., Desai V.V. The use of a tantalum-based Augmentation Patella in patients with a previous patellectomy. Knee. 2008;15(2):91-94. D OI: 10.1016/j.knee.2008.01.001.28. Kumar N.S., Wilton T. Trabecular metal patella--is it really doomed to fail in the totally patellar — deficient knee? A case report of patellar reconstruction with a novel technique. Knee. 2014;21(3):779-783. D OI: 10.1016/j.knee.2014.02.006.29. Rieger E., Dupret-Bories A., Salou L., Metz-Boutigue M.H., Layrolle P., Debry C., Lavalle P., Vrana N.E. Controlled implant/soft tissue interaction by nanoscale surface modifications of 3D porous titanium implants. Nanoscale. 2015;7(21):9908-9918. DOI: 10.1039/c5nr01237f.30. Радкевич А.А., Кузьменко И.И., Ходоренко В.И. Опыт использования сплавов на основе никелида титана в хирургии грыж передней брюшной стенки. Имплантаты с памятью формы. 2003;1-2:28-32.31. Сердюк В.В. Диагностика и лечение повреждений ахиллова сухожилия. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 1974;11:40-42.32. Ланшаков В.А., Гюнтер В.Э., Панов А.А., Панова А.С., Баховудинов А.Х. Хирургическое лечение разрывов ахиллова сухожилия с использованием сетчатых имплантатов из никелида титана. Сибирский медицинский журнал (Томск). 2008;3-2:38-41.33. Bobyn J.D., Wilson G.J., MacGregor D.C., Pilliar R.M., Weatherly G.C. Effect of pore size on the peel strength of attachment of fibrous tissue to porous-surfaced implants. J Biomed Mater Res. 1982;16(5):571-584.34. Reach J.S. Jr., Dickey I.D., Zobitz M.E., Adams J.E., Scully S.P., Lewallen D.G. Direct tendon attachment and healing to porous tantalum: anexperimental animal study. J Bone Joint Surg Am. 2007;89(5):1000-1009. D OI: 10.2106/JBJS.E.00886.35. Itälä A., Heijink A., Leerapun T., Reach J.S., An K.N., Lewallen D.G. Successful canine patellar tendon reattachment to porous tantalum. Clin Orthop Relat Res. 2007;463:202-207.36. Hacking S.A., Bobyn J.D., Toh K., Tanzer M., Krygier J.J. Fibrous tissue ingrowth and attachment to porous tantalum. J Biomed Mater Res. 2000;52(4):631-638.37. Wren T.A., Yerby S.A., Beaupre G.S., Carter D.R. Mechanical properties of the human achilles tendon. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2001;16(3):245-251.38. Inoue N., Ikeda K., Aro H.T., Frassica F.J., Sim F.H., Chao E.Y. Biologic tendon fixation to metallic impiant augmented with autogenous canceilous bone graft and bone marrow in a canine model. J Orthop Res. 2002;20:957-966.