Актуальность проблемы. Современная хирургия челюстно-лицевой области несет элементы индивидуальной реконструкции [1]. Значительная атрофия альвеолярной части челюстных костей характеризуется дефектами костной ткани и близостью анатомических образований (верхнечелюстная пазуха и нижнечелюстной канал), расположение и топография которых строго индивидуальна. Это делает невозможным использование для восстановления жевательной эффективности несъемных конструкций зубных протезов с опорой на дентальные имплантаты без предварительной костной пластики [2].
Для восстановления атрофированных костных структур широко используется костная пластика с применением аллогенных биоимплантатов, изготовленных по технологии «Лиопласт»® [3,4].
Препараты «Лиопласт»®, обработанные, законсервированные и стерилизованные с помощью физических факторов, состоят только из органических и неорганических компонентов человеческого организма и не включают в себя внесенных извне веществ, что имеет место при химических способах консервации и стерилизации. Это безопасные, наиболее адаптированные по своему биохимическому составу к человеческому организму имплантаты. Согласно ТУ-9398-001-01963143-2004, которые зарегистрированы в РФ как изделия медицинского назначения, биоимплантаты «Лиопласт»®, [5] в отличие от консервированных аллоимплантатов иных производителей, способны сохранять свои первоначальные качества от 3 до 5 лет, что удобно для транспортировки и хранения. Такие материалы не антигенны, быстро прорастают рыхлой соединительной тканью, создавая единое целое с окружающей костью реципиента, обладают способностью к биодеградации с последующим замещением органотипичной костной тканью [3,6-8].
Все биоимплантаты, изготовленные по технологии «Лиопласт»®, имеют стандартные размеры и форму, лишены рельефа [9], т.е. не персонифицированы и не адаптированы к конкретному реципиенту, следовательно, применяя их невозможно индивидуально с учетом анатомо-топографических особенностей реципиента восстановить дефект костной структуры альвеолярной части челюстных костей. Эти недостатки требуют проведения моделирования биоимплантата в клинике, что создает значительные технические и временные трудности при операционных вмешательствах.
Применение современных технологий цифрового моделирования и фрезерной обработки биологического материала может позволить изготовить персонифицированный костный имплантат, который с высокой точностью восстановит утраченные костные структуры.
В связи с необходимостью изготовления имплантата с персонифицированными параметрами реципиента возникла потребность в изменении технологии заготовки биоматериала.
Цель данного исследования - разработать и обосновать технологию обработки заготовки биоматериала из губчатой кости, пригодную для передачи персонифицированных параметров реципиента при фрезерной обработке будущих костных имплантатов.
Материал и методы исследования. На первом этапе забора биоматериала (костных матриц будущих персонифицированных костных имплантатов) всем донорам проводили аутопсию и серологическое исследование крови на сифилис и вирусы гепатитов В и С, ВИЧ. Данные мероприятия позволяли полностью защитить реципиента и персонал от передачи им какого-либо заболевания, сводили до минимума опасность персонала и делали процесс экологически безопасным и экономичным.
Полученный аутопсийный костный материал был разделен на две группы. В каждой из групп технология обработки биоматериала была различной.
В первой группе биоматериал из губчатого слоя нативной кости, полученный в ходе аутопсии, подвергали обезжириванию с удалением из межбалочных пространств всех элементов костного мозга. Этого достигали с помощью низкочастотной ультразвуковой установки (рис. 1).
Рис. 1. Ультразвуковая установка для обезжиривания аутопсийного материала.
После обезжиривания костные матрицы первой группы подвергали замораживанию в морозильной камере при температуре -180оС. Такой подход обеспечивал сохранность материала перед этапом фрезерной обработки.
Во второй группе биоматериал из губчатого слоя нативной кости после обезжиривания подвергали последующей лиофилизации на сублимационной установке ALPHA2-4LSC (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид лиофильной установки ALPHA2-4LSC.
Процесс лиофилизации (вакуумная сушка биоматериала) представлял собой метод низкотемпературного обезвоживания костных матриц, который происходил в вакууме в результате возгонки (сублимации) воды из состояния льда в пар, минуя жидкую фазу. При лиофилизации вода из костной ткани удалялась и составляла не более 5% в ткани без нарушения нативной структуры белков. В ходе лиофилизации резко замедлялись или прекращались биохимические реакции, в результате чего матрицы становились более устойчивыми к факторам внешнего воздействия и сохраняли первоначальные свойства в течение длительного периода хранения. При высушивании температура в сублимационной установке постепенно повышалась. Процесс лиофилизации включал в себя несколько этапов: предварительное замораживание полученного аутопсийного костного материала после проведенного обезжиривания, основная сушка, финальная сушка. После проведения основной сушки костные заготовки замораживанию не подвергали.
В ходе разделения технологического процесса были получены 2 группы опытных образцов костных матриц, по 30 в каждой.
Группы опытных образцов костных матриц:
1. Матрицы из губчатого слоя нативной кости после обезжиривания и удаления из межбалочных пространств всех элементов костного мозга при помощи низкочастотной ультразвуковой обработки с последующей заморозкой, n=30 (рис.3).
2. Матрицы из губчатого слоя нативной кости после обезжиривания и удаления из межбалочных пространств всех элементов костного мозга при помощи низкочастотной ультразвуковой обработки с последующей лиофилизацией, n=30 (рис.4).
Рис. 3. Опытный образец костной матрицы 1 группы.
Рис. 4. Опытный образец костной матрицы 2 группы.
Для оптимизации режимов фрезерной обработки опытных образцов костных матриц был выбран четырехосевой универсальный фрезерный станок ROLAND MDX 40А.
Четырехосевой универсальный фрезерный станок ROLAND MDX 40А имел жесткую конструкцию. Станина выполнена из полимербетона. Этот материал отлично поглощал вибрации и обладал термостабильностью.
Благодаря числовому программному управлению была возможность компенсации погрешностей: линейной и нелинейной осей, зазоров, пиковых отклонений при круговых движениях.
Данный станок ранее для фрезерной обработки заготовок из костной ткани не применяли. Перед началом этапа фрезеровки проводили обработку рабочих узлов станка 70% раствором этилового спирта дважды. После чего в устройство крепления костной заготовки биоматериала [10] закрепляли одну из заготовок опытных образцов костных матриц. После закрепления исходной заготовки биоматериала проводили предварительную центровку (рис. 5).
Рис. 5. Установка опытного образца костной матрицы во фрезерный станок ROLAND MDX 40А.
В ходе работы применяли трехосевую фрезерную обработку и четырехосевую фрезерную обработку. Трехосевую обработку осуществляли только за счет движения фрезы. Четырехосевая обработка выполнена путем вращения поворотной оси, входящей в стандартную оснастку станка. С помощью управляющей программы для изготовления костных блоков [11] можно было не только контролировать ход работы станка, но и задать значения давления и прижима.
Результаты и обсуждение. Персонифицированные имплантаты, полученные из костных матриц первой группы, прошедшей обезжиривание и удаление из межбалочных пространств всех элементов костного мозга при помощи ультразвуковой обработки, отвечали основным требованиям, т.е. соответствовали по форме, размеру и объему исходным цифровым моделям. Поверхность готовых образцов имплантатов была без трещин, отломов и раковин. Цвет их белый, серый или слоновой кости.
При точном сопоставлении полученных образцов с цифровыми моделями было выявлено, что имплантаты, полученные в ходе фрезерной обработки с применением четырехосевой системы координат, в полной мере соответствовали заданным персонифицированным параметрам, в отличие от имплантатов, полученных в ходе фрезерной обработки с применением трехосевой системы координат.
Персонифицированные имплантаты, полученные из костных матриц второй группы после обезжиривания и удаления из межбалочных пространств всех элементов костного мозга при помощи ультразвуковой обработки с последующей лиофилизацией, отвечали основным требованиям, т.е. соответствовали по форме, размеру и объему исходным томограммам. Поверхность готовых образцов имплантатов была без трещин, отломов и раковин. Цвет их белый, серый или слоновой кости.
При точном сопоставлении полученных образцов с цифровыми моделями было также выявлено, что имплантаты, полученные в ходе фрезерной обработки с применением четырехосевой системы координат, в полной мере соответствовали заданным параметрам, в отличие от имплантатов, полученных в ходе фрезерной обработки с применением трехосевой системы координат.
На финальном этапе технологии обработки заготовки биоматериала персонифицированного имплантата из костных матриц первой группы, прошедших обезжиривание и удаление из межбалочных пространств всех элементов костного мозга при помощи ультразвуковой обработки, лиофилизацию на сублимационной установке проводили после фрезерной обработки. В результате проведенной вакуумной сушки образцов из них была удалена вода. Таким образом, содержание воды в полученных образцах было не более 5%, а нативная структура белка была сохранена.
В готовом виде опытный образец персонифицированного имплантата потерял 18-20% от исходного заданного объема, т.е. не отвечал индивидуально заданным параметрам цифровой модели, что делало его непригодным для применения в персонифицированных реконструктивных операциях на кости.
Фрезерование персонифицированных имплантатов из костных матриц второй группы проводили после этапов обезжиривания и удаления из межбалочных пространств всех элементов костного мозга при помощи ультразвуковой обработки и лиофилизации.
В готовом виде опытный образец не потерял своего объема от исходно заданных параметров цифровой модели, что делало его пригодным для применения в персонифицированных реконструктивных операциях на кости.
Заключение. Таким образом, в результате проведенной работы можно сделать вывод, что для точной передачи персонифицированных параметров реципиента матрицы из губчатого слоя нативной кости после обезжиривания и удаления из межбалочных пространств всех элементов костного мозга при помощи низкочастотной ультразвуковой обработки должны быть лиофилизированы перед фрезерной обработкой, которую следует осуществлять с применением четырехосевой системы координат.