Osteoporotisku apakšžokļa kaulu biomehānisko rādītāju izmaiņas pēc lokālas pastiprināšanas ar bifāziskajiem kalcija fosfātu biokeramikas materiāliem augšstilba "trochanter majus" rajonā: eksperimentāls pētījums

Kopsavilkums

Tika pētītas trušu apakšžokļa kaulu biomehāniskās īpašības. Pēc ovarektomijas un tai sekojošām metilprednizolona injekcijām tika izraisīta eksperimentāla osteoporoze. Trušiem tika izveidoti defekti augšstilba trochanter majus rajonā un aizpildīti ar hidroksiapatīta un trikalcija fosfāta (HAP/TCP 30/70) granulām vai HAP/TCP 30/70 granulām kopā ar 5 % stronciju. Pēc trim mēnešiem dzīvniekiem tika veikta eitanāzija. No apakšžokļa leņķa rajona tika izgriezti taisnstūra formas kaulaudu paraugi un izpētīta to liece. Pētījumā tika konstatēts, ka trušu apakšžokļa leņķa rajona kauls kļūst stingāks pēc defekta aizpildīšanas augšstilba trochanter majus rajonā ar HAP/TCP 30/70 vai atbilstīgi svaram ar 5 % Sr modificētu HAP/TCP 30/70 keramiku. Pētījuma grupas paraugu graujošā deformācija bija daudz mazāka nekā paraugiem no kontroles grupas. Var secināt, ka lokāla pastiprināšana ar bifāziskajiem kalcija fosfātu biokeramikas materiāliem augšstilba trochanter majus rajonā uzlabo dzīvnieku apakšžokļa kaulu biomehāniskās īpašības.

Ievads

Jebkurš biomateriāls, kurš tiek implantēts dzīvā organismā, izraisa noteiktu lokālu reakciju. Reakcija ir atkarīga no materiāla fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām [4]. Bifāziska kalcija fosfāta keramika kā kaulaudu aizvietošanas materiāls tiek izmantota, lai uzlabotu osteoporotisku kaulu īpašības un veicinātu kaulaudu dzīšanu [3]. Osteoporozes ārstēšanai plaši tiek izmantoti farmakoloģiskie līdzekļi kā, piemēram, bifosfonāti, stroncija ranelāts, raloksifēns, denosumabs un paratireoīdā hormona peptīdi. Tiek meklētas jaunas metodes osteoporotisko kaulu lūzuma profilaksei [1, 2].

Darba mērķis

Pētījuma mērķis bija noskaidrot, kā lokāla pastiprināšana ar bifāziskajiem kalcija fosfāta biokeramikas materiāliem augšstilba trochanter majus rajonā ietekmē apakšžokļa kaula biomehāniskās īpašības trušiem ar eksperimentālo osteoporozi.

Materiāls un metodes

Astoņpadsmit sieviešu dzimuma trušiem (vecums – 8 mēneši) pēc ovarektomijas un tai sekojošas metilprednozolona injekcijas (1 mg/kg dienā) tika izraisīta eksperimentāla osteoporoze. Terapijas ilgums bija sešas nedēļas. 14 trušiem tika izveidoti defekti augšstilba trochanter majus rajonā. Septiņi defekti tika aizpildīti ar bifāzisku keramiku (HAP/TCP 30/70), pārējie septiņi defekti tika aizpildīti ar atbilstīgi svaram 5 % Sr modificētu divfāžu keramiku.

Kontroles grupā bija četri sieviešu dzimuma truši, kuriem tika izveidots identisks kaula defekts, bet netika implantēta biokeramika. Pēc trim mēnešiem dzīvniekiem tika veikta eitanāzija. No apakšžokļa leņķa rajona tika izgriezti un nolīdzināti taisnstūra formas kaulaudu paraugi.

rajona tika izgriezti un nolīdzināti taisnstūra formas kaulaudu paraugi. Kaulaudu biomehānisko īpašību izpētei par trīs punktu lieci tika izmantoti taisnstūra formas paraugi, kuri bija ielikti 10 mm attālumā starp atbalstiem. Platums un biezums tika izmērīts ar skaitļu bīdmēru, kura precizitāte – 0,01 mm.

Paraugu lieces izpēte tika veikta stendā Zwick/Roell (BT1-FR2.5TN.D14, Vācija), kas aprīkots ar 2,50 ± 0,1 kN spēka tenzodevēju. Stends tika izmantots kopā ar datorprogrammu testXpert 2.5 (Vācija), kas paredzēta testēšanas ierīces vadīšanai un datu apstrādei. Paraugi tika deformēti ar ātrumu viens mm/min līdz parauga sabrukšanai. Noslogojuma stendā iegūtie dati tika apstrādāti ar testXpert 2.5 programmu.

1. attēls. Tipiskā sprieguma-deformācijas sakarība un galvenie nosakāmie mehāniskie parametri: σ*– graujošais spriegums, ε*– graujošā deformācija un E – pieskares lieces elastības modulis (tangensa leņķis α) / Typical stress-strain relationship and key biomechanical parameters: σ* – ultimate stress, ε* – ultimate strain and tangent α – flexure modulus

Lieces laikā katram paraugam tika noteikts graujošais (maksimālais) spriegums (σ*) un graujošā (maksimālā) deformācija (ε*). Datorprogramma mērījumu rezultātus atspoguļoja tabulas veidā un grafiski kā sprieguma–deformācijas līkni. Paraugu cietība tika izteikta kā pieskares lieces elastības modulis (E) uz noteikta sprieguma–deformācijas līknes lineārās daļas kā tangensa leņķis (leņķis α), kurš veidojas starp koordinātu asi un pieskares līkni tās lineārajā daļā (sk. 1. att.).

Visi biomehānikas parametri tika atspoguļoti kā mediānas (Md) ar starpkvartiļu diapazonu (IQR). Divu grupu lielumu salīdzināšana tika veikta ar Manna–Vitnija testu. Vērtības, starp kurām ticamības līmenis bija lielāks par 95 % (p < 0,05), tika uzskatītas par statistiski ticamām.

Rezultāti un diskusija

Pētījuma rezultāti pierādīja, ka paraugu biezums kontroles grupā bija mazāks nekā divās citās grupās (sk. 2. att.).

Paraugu biezums kontroles grupā bija 0,33 mm (0,39–0,31), kas ir statistiski ticami mazāks (p = 0,045) nekā otrajā grupā Md = 0,5 mm (0,59–0,35) un trešajā grupā Md = 0,53 mm (0,86–0,36), p = 0,039. Statistiski ticamas atšķirības paraugu biezumā starp otro un trešo grupu netika atrastas (p = 0,27).

Paraugu graujošā sprieguma statistiski ticamas atšķirības netika konstatētas starp kontroles, otro un trešo grupu paraugu lieces laikā (sk. 3. att.).

Kontroles grupas paraugu graujošais spriegums Md = 129 MPa (148–95,75) statistiski ticami neatšķīrās no otrās grupas paraugu graujošā sprieguma Md = 141 Mpa (175–114), p = 0,52, un trešās grupas paraugu graujošā sprieguma Md = 122 MPa (131,2–84,25), p = 0,41.

Statistiski ticamas atšķirības paraugu graujošajā spriegumā starp otro un trešo grupu arī netika atrastas (p = 0,22).

Tika pierādīts, ka paraugu graujošā deformācija kontroles grupai ir būtiski lielāka nekā paraugiem no divām citām grupām (sk. 4. att.).

Kontroles grupas paraugu graujošā deformācija bija Md = 3,68 % (4,03–3,22), kas ir daudz lielāka nekā otrās grupas paraugiem Md = 2,2 % (2,5–1,75), p = 0,016 un trešās grupas paraugiem Md = 1,6 % (1,95–1,25), p = 0,015. Statistiski ticamas atšķirības paraugu graujošajā deformācijā starp otro un trešo grupu netika atrastas (p = 0,15).

Lieces elastības modulis raksturo materiāla stingumu: jo lielāks ir elastības modulis, jo materiāls ir stingāks. Pētījuma rezultāti pierādīja, ka kontroles grupas paraugu lieces elastības modulis bija Md = 5,75 GPa (6,75–3,43), kas ir statistiski ticami mazāk (p = 0,031) nekā otrās grupas elastības modulim Md = 8,48 Gpa (10,55–7,05) un trešās grupas elastības modulim (Md = 6,89 Gpa (8,68–6,83)), p = 0,04 (sk. 5. att.).

Statistiski ticamas atšķirības paraugu lieces elastības modulī starp otro un trešo grupu netika atrastas (р = 0,41).

2. attēls. Apakšžokļa leņķa rajona paraugu biezums dažādām grupām / Cross-sectional thickness of the samples

3. attēls. Paraugu graujošais spriegums dažādām grupām / Cross-sectional ultimate stress of the samples

4. attēls. Paraugu graujošā deformācija dažādām grupām / Cross-sectional ultimate strain of the samples

5. attēls. Paraugu elastības modulis dažādām grupām / Cross-sectional flexure modulus of the samples

Secinājumi

Pētījumā tika konstatēts, ka trušu apakšžokļa leņķa rajona kauls kļūst stingāks pēc defekta aizpildīšanas augšstilba trochanter majus rajonā ar HAP/TCP 30/70 keramikas granulām vai atbilstīgi svaram ar 5 % Sr modificētas HAP/TCP keramikas granulām.

Eksperimenta grupu paraugu graujošā deformācija ir daudz mazāka nekā paraugiem no kontroles grupas.

Eksperimenta grupu paraugu biezums ir lielāks nekā kontroles grupā.

Paraugu graujošā sprieguma statistiski ticamas atšķirības starp dažādām grupām netika konstatētas.

Var secināt, ka lokāla pastiprināšana ar bifāziskajiem kalcija fosfāta biokeramikas materiāliem augšstilba trochanter majus rajonā uzlabo dzīvnieku apakšžokļa kaulu biomehāniskās īpašības.

Pateicība

Pētījums tika atbalstīts Nacionālajā pētniecības programmā Nr. 2014.10-4/VPP-3/21 “Daudzfunkcionālie materiāli un kompozīti, fotonika un nanotehnoloģijas”. Projekts Nr. 4 “Nanomateriāli un nanotehnoloģijas medicīniskajam pielietojumam”.

Abstract

Change of Biomechanical Parameters in the Lower Jaws of Rabbits with Experimental Osteoporosis after Implantation of Calcium Phosphate Bioceramics in the Greater Trochanter Region

Investigation of biomechanical properties of the rabbit bone tissue from a corner of the lower jaw was done. Experimental osteoporosis was induced by ovariectomy and following injections of methylprednisolone. The defects in the greater trochanter region was created and filled with granules of a hydroxyapatite and tricalcium phosphate (HAP/TCP 30/70) or HAP/TCP 30/70 together with 5 % strontium.

After three months animals were euthanised, squared samples were cut out from a corner of the lower jaw and tested on a bend. Results of the research show that the corner of a lower jaw in rabbit becomes more rigid after filling of defects in the greater trochanter region with granules of a hydroxyapatite and tricalcium phosphate (HAP/TCP 30/70) or granules together with strontium.

The ultimate strain for the bone tissue in the 2nd and 3rd group is less, than in the control group. Thus, local uses calcium phosphate bioceramics around the greater trochanter region improves biomechanical parameters of a bone tissue in the lower jaw of animals.

Literatūra

1. Dimitriou, R., Jones, E., McGonagle, D., Giannoudis, P. V. Bone regeneration: current concepts and future directions. BMC Med. 2011, 9, 66–71.
2. Lozano, D., Trejo, C. G., Gomez-Barrena, E., Manzano, M., Doadrio, J. C., Salinas, A. J., Vallet-Regi, M., Garcia-Honduvilla, N., Esbrit P., Bujan, J. Osteostatin-loaded onto mesoporous ceramics improves the early phase of bone regeneration in a rabbit osteopenia model. Acta Biomater. 2012, 8(6), 2317–2323.
3. Salma, I., Petronis, S., Pilmane, M., Skagers, A., Zalite, V., Locs, J. Local recovery of Bone tissue in Osteoporotic Rabbit Hip after Implantation of HAP/TCP Bioceramic Granules. 27th European Conference on Biomaterials, Krakov, Poland, 30th August – 3rd September, 2015. Krakov, 2015, 409.
4. Slutskii, L., Vetra, J. Letter to the editor: Biocompatibility and reactogenicity of materials: a semantic and logical analysis of definitions of their practical significance. Cells and Materials. 1996, 6(1–3), 137–142.