Альманах клинической медицины. 2016; 44: 193-202
ИЗУЧЕНИЕ БИОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОСТНОЙ ТКАНИ ДЛЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2016-44-2-193-202Аннотация
Актуальность. В последние десятилетия объем реконструктивно-восстановительных операций в травматологии значительно вырос ввиду повышения случаев травматизма, числа пострадавших в локальных военных конфликтах, ухудшения экологии. Это привело к увеличению потребности в пластическом материале и необходимости создания современных наукоемких технологий, позволяющих удовлетворить спрос на пластический материал, включая альтернативные источники получения костных имплантатов. Решение этой проблемы предусматривает углубленное изучение биофизических свойств костной ткани с использованием инновационных методов для разработки требований к созданию новых эффективных имплантатов на основе как натуральной кости, так и искусственных и природных аналогов. Указанные аспекты стали целью настоящего исследования, результаты которого представляют интерес для медико-биологических и клинических приложений. Материалом исследования послужили фрагменты костей различной локализации человека в возрастном диапазоне от 3 до 89 лет и животных (бык) в возрасте от 1,5 до 2 лет. Биофизические особенности исследованного материала изучены на стадиях пробоподготовки с использованием оригинальных авторских методов физико-механической обработки, при анализе закономерностей изменения структурно-функционального состояния костного вещества в норме, при изменении его композитности с учетом возрастного фактора, анизотропии материала и уровня структурной организации. Изучение закономерностей структуры выполнено с применением классических (световая, сканирующая электронная микроскопия) и современных (акустическая микроскопия) методов. Для оценки функциональных изменений в макро- и микрообъемах костных образцов использованы методы инженерной биомеханики. К основным результатам исследований следует отнести разработку инновационных методов пробоподготовки и структурно-функционального анализа. В первую очередь – методы механической обработки костных фрагментов, основанные на использовании в условиях ограниченного количества минерализованных биотканей дисковых и полых цилиндрических фрез, а также на применении гидродинамической инцизии, обеспечивающей щадящий режим высокоэффективного режущего воздействия на костную ткань. Другой отличительной особенностью исследования является разработанная методология морфо-механического анализа костных образцов на макро- и микроуровне с учетом реального физико-химического состояния образцов. С целью обеспечения стерильности образцов авторами предложены инновационные методы с использованием озоно-кислородных смесей. В результате исследований получены комплексные количественные характеристики, отражающие возрастные изменения композиционного состава костной ткани человека, анизотропию ее физико-механических характеристик, параметров остеонов, физико-механических показателей костной ткани с учетом композиционного состава. Заключение. Применение предложен- ной методологии позволило получить новые сведения о биофизических свойствах костной ткани, представляющие интерес для биоим-плантологии, биоматериаловедения и расширяющие фундаментальные представления о костной ткани как природном биокомпозите. Они служат базой для выработки практических рекомендаций по оптимизации выбора костных фрагментов для изготовления имплантатов с учетом выявленных закономерностей изменения макро- и микроструктуры, физико-механических характеристик и состава костной ткани в исследованном возрастном диапазоне.
Список литературы
1. Денисов-Никольский ЮИ, Миронов СП, Омельяненко НП, Матвейчук ИВ. Актуальные проблемы теоретической и клинической остеоартрологии. М.: Типография «Новости»; 2005. 336 с.
2. Розанов ВВ. Высокоэнергетическое гидродинамическое воздействие на биологические ткани – новая перспективная биомедицинская технология. Наукоемкие технологии. 2003;(6):35–43.
3. Розанов ВВ, Денисов-Никольский ЮИ, Матвейчук ИВ, Ложкин ОВ, Эйхенвальд ЭВ, Осипенкова ТК, Омельяненко НП, Северин АЕ. Гидродинамические технологии в биологии и медицине. Технологии живых систем. 2005;2(4–5):28–40.
4. Пантелеев ВИ, Розанов ВВ, Матвейчук ИВ, Лекишвили МВ, Сысоев НН, Шутеев СА, Альков СВ, Андреева ТМ. Медицинские озоновые технологии: новые задачи, возможности, оборудование. Биомедицинская радиоэлектроника. 2013;(2):3–11.
5. Денисова ЛА, Маев РГ, Денисов-Никольский ЮИ, Матвейчук ИВ, Денисов АА. Основы применения акустической микроскопии в медико-биологических исследованиях: учебное пособие. М.: НИЦ БМТ; 2002. 62 с.
6. Матвейчук ИВ. Изготовление образцов для механических испытаний кости с помощью полого сверла. Механика композитных материалов. 1980;(1):155–8.
7. Матвейчук ИВ. Биомеханические подходы к изучению морфофункциональных особенностей кости с целью создания ее синтетического аналога. В: Биомедицинские технологии: сборник научных трудов. Вып. 5. М.: НИЦ БМТ; 1996. с. 15–22.
8. Матвейчук ИВ. Изучение системы внутри- костных пространств с позиций биомате- риаловедения и его прикладное значение. В: Биомедицинские технологии: сборник научных трудов. Вып. 9. М.: НИЦ БМТ ВИЛАР; 1998. с. 54–8.
9. Матвейчук ИВ, Денисов-Никольский ЮИ. Региональные особенности механических характеристик компактного вещества бедренной кости. В: Проблемы инженерной биомедицины. Труды МВТУ № 433. М.; 1985. с. 65–78.
10. Быков ВА, Розанов ВВ, Матвейчук ИВ, Пантелеев ВИ, Шутеев СА, Литвинов ЮЮ, Воротников АИ. Способ изготовления костных имплантатов. Патент РФ № 2526429 от 20 августа 2014 г.
11. Степнов МН. Статистическая обработка результатов механических испытаний. М.: Машиностроение; 1972. 232 с.
12. Матвейчук ИВ, Розанов ВВ, Денисов-Никольский ЮИ. Сравнительная структур- но-функциональная характеристика костных алло- и ксеноимплантатов. Технологии живых систем. 2013;10(8):25–30.
13. Денисов-Никольский ЮИ, Матвейчук ИВ, Розанов ВВ. Инновационные подходы к структурно-функциональному анализу костной ткани для решения фундаментальных и прикладных задач в биоимплантологии и биоматериаловедении. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2012;(1):223–8.
14. Луньков АЕ. Порометрические методики морфометрии костной ткани. Саратов: Изд- во Саратовского медицинского университета; 2015. 120 с.
Almanac of Clinical Medicine. 2016; 44: 193-202
EVALUATION OF BIOPHYSICAL PROPERTIES OF THE BONE TISSUE FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2016-44-2-193-202Abstract
References
1. Denisov-Nikol'skii YuI, Mironov SP, Omel'yanenko NP, Matveichuk IV. Aktual'nye problemy teoreticheskoi i klinicheskoi osteoartrologii. M.: Tipografiya «Novosti»; 2005. 336 s.
2. Rozanov VV. Vysokoenergeticheskoe gidrodinamicheskoe vozdeistvie na biologicheskie tkani – novaya perspektivnaya biomeditsinskaya tekhnologiya. Naukoemkie tekhnologii. 2003;(6):35–43.
3. Rozanov VV, Denisov-Nikol'skii YuI, Matveichuk IV, Lozhkin OV, Eikhenval'd EV, Osipenkova TK, Omel'yanenko NP, Severin AE. Gidrodinamicheskie tekhnologii v biologii i meditsine. Tekhnologii zhivykh sistem. 2005;2(4–5):28–40.
4. Panteleev VI, Rozanov VV, Matveichuk IV, Lekishvili MV, Sysoev NN, Shuteev SA, Al'kov SV, Andreeva TM. Meditsinskie ozonovye tekhnologii: novye zadachi, vozmozhnosti, oborudovanie. Biomeditsinskaya radioelektronika. 2013;(2):3–11.
5. Denisova LA, Maev RG, Denisov-Nikol'skii YuI, Matveichuk IV, Denisov AA. Osnovy primeneniya akusticheskoi mikroskopii v mediko-biologicheskikh issledovaniyakh: uchebnoe posobie. M.: NITs BMT; 2002. 62 s.
6. Matveichuk IV. Izgotovlenie obraztsov dlya mekhanicheskikh ispytanii kosti s pomoshch'yu pologo sverla. Mekhanika kompozitnykh materialov. 1980;(1):155–8.
7. Matveichuk IV. Biomekhanicheskie podkhody k izucheniyu morfofunktsional'nykh osobennostei kosti s tsel'yu sozdaniya ee sinteticheskogo analoga. V: Biomeditsinskie tekhnologii: sbornik nauchnykh trudov. Vyp. 5. M.: NITs BMT; 1996. s. 15–22.
8. Matveichuk IV. Izuchenie sistemy vnutri- kostnykh prostranstv s pozitsii biomate- rialovedeniya i ego prikladnoe znachenie. V: Biomeditsinskie tekhnologii: sbornik nauchnykh trudov. Vyp. 9. M.: NITs BMT VILAR; 1998. s. 54–8.
9. Matveichuk IV, Denisov-Nikol'skii YuI. Regional'nye osobennosti mekhanicheskikh kharakteristik kompaktnogo veshchestva bedrennoi kosti. V: Problemy inzhenernoi biomeditsiny. Trudy MVTU № 433. M.; 1985. s. 65–78.
10. Bykov VA, Rozanov VV, Matveichuk IV, Panteleev VI, Shuteev SA, Litvinov YuYu, Vorotnikov AI. Sposob izgotovleniya kostnykh implantatov. Patent RF № 2526429 ot 20 avgusta 2014 g.
11. Stepnov MN. Statisticheskaya obrabotka rezul'tatov mekhanicheskikh ispytanii. M.: Mashinostroenie; 1972. 232 s.
12. Matveichuk IV, Rozanov VV, Denisov-Nikol'skii YuI. Sravnitel'naya struktur- no-funktsional'naya kharakteristika kostnykh allo- i ksenoimplantatov. Tekhnologii zhivykh sistem. 2013;10(8):25–30.
13. Denisov-Nikol'skii YuI, Matveichuk IV, Rozanov VV. Innovatsionnye podkhody k strukturno-funktsional'nomu analizu kostnoi tkani dlya resheniya fundamental'nykh i prikladnykh zadach v bioimplantologii i biomaterialovedenii. Voprosy biologicheskoi, meditsinskoi i farmatsevticheskoi khimii. 2012;(1):223–8.
14. Lun'kov AE. Porometricheskie metodiki morfometrii kostnoi tkani. Saratov: Izd- vo Saratovskogo meditsinskogo universiteta; 2015. 120 s.
