К. мед.н. Погорелов М.В.

Сумский государственный университет, медицинский институт, кафедра анатомии человека

Показатели микротвердости регенерата в норме и при нарушении водно-солевого обмена.

Кость как орган имеет иерархическое строение и, соответственно, ее механические свойства имеют зависимость от уровня организации. Так Katz и соавторы предлагают пять уровней организации костной ткани – макроструктурный (органный), тканевой, микроструктурный, субмикроструктурный и ультрамикроструктурный (наноструктурный). Стандартное определение прочности кости обычно производят на первом, органном уровне, где на прочность кости как органа влияют структурные и функциональные особенности всех тканевых составляющих кости – собственно костной ткани, надкостницы, сосудов, нервов и пр. [Yuehuei H.A., 2000]. Определение механических особенностей костной ткани, как основной гистионной единицы органа возможно при анализе микротвердости, которая является методом определения прочности малых объектов для которых невозможно проведение стандартных механических испытаний.

Механические свойства костной ткани зависит от многих факторов таких как возраст, характер питания, наличие системных заболеваний и нарушение метаболизма. Одной из патологий, которая может влиять на строение и функциональное состояние тканей организма является нарушение водно-солевого обмена. Данная патология приводит к дисбалансу ионного состава сред организма, что приводит к нарушению транспорта электролитов и обмена между внеклеточной жидкостью и внутриклеточным пространством. Наличие нарушений водно-солевого обмена на фоне травматического повреждения кости может привести к глубоким нарушениям протекания репаративной регенерации и сдвигов механических параметров кости.

Поэтому целью настоящей работы стало изучение микротвердости костной ткани и регенерата длинных костей скелета крыс разных возрастных групп в норме и при гипоосмолярной гипергидратации.

Материалы и методы исследования. В эксперименте было задействовано 144 крыс-самцов 3-х возрастных групп (молодые, зрелые и старые), которые были разделены на 2 серии: контрольную и экспериментальную.

Экспериментальной серии (108 животных) моделировали три степени гипоосмолярной гипергидрии путем зондового введения дистиллированной воды (10 мл) три раза в сутки совместно с синтетическим аналогом АДГ (Минирин) для предотвращения физиологического поддержания водного гомеостаза. Продолжительность моделирования гипергидрии составило от 5 (легкая степень) до 20 дней (тяжёлая степень). После достижения соответственной степени гипергидратации всем животным под общей анестезией стоматологическим бором наносили дефект в средней трети диафиза большеберцовой кости.

Контрольная группа животных (36 крыс 3-х возрастных групп с аналогичной травмой) содержалась на обычном пищевом и водном режиме.

Всех крыс выводили с эксперимента через 15 и 24 суток после перелома, что соответствует окончательным стадиям репаративного остеогенеза по Корж Н.А. и Дедух Н.В. [Корж Н.А., 2006].

Изучение микротвердости проводили на приборе ПМТ-3 [Ткачук С.А., 2008]. Перед проведением исследования поверхность кости зашлифовывали и фиксировали образец на металлическом столике при помощи эпоксидной смолы. Изучения числа твердости проводили в месте травмы и на поверхности «материнской» кости на расстоянии 10 мм от места травмы. Для определения микротвердости в исследуемый образец под действием нагрузки Р вдавливается алмазная пирамидка. В наших исследованиях величина нагрузки составила 0,1 кгс. После действия нагрузки на поверхности образца остается отпечаток в виде пирамиды с квадратным основанием. Для определения числа твердости НV (кгс/мм²) нагрузку Р делят на условную площадь боковой поверхности отпечатка [Паршев С.Н., 2004]:

НV = 1,8544(),

где Р – нагрузка на пирамиду, d – диагональ отпечатка.

Результаты. У животных контрольной серии через 15 дней после нанесения травмы в месте дефекта происходит формирование незрелой костной ткани, которая имеет низкую минеральную плотность по данным предыдущих исследований с использованием атомно-абсорбционного анализа и растровой электронной микроскопии (Сикора В.З., 2007). Незначительная минерализация и наличие органической составляющей обуславливают возникновение глубокого отпечатка пирамиды, диагональ которой составляет от 0,089 мм и 0,081 мм у молодых и зрелых животных до 0,091 мм у животных периода старческих изменений (число твердости – 23,42±0,12 кгс/мм², 28,26±0,17 кгс/мм² и 22,39±0,09 кгс/мм² соответственно). Через 24 сутки после травмы происходит увеличение числа твердости, которое составляет соответственно возрасту 36,78±0,11кгс/мм², 38,94±0,08 кгс/мм² и 31,30±0,21 кгс/мм². Следует отметить, что уменьшение числа твердости у животных старческого возраста является показателем функциональной неполноценности новообразованной костной ткани в данной возрастной группе и коррелирует с исследованиями Peter X. Ma та Rho, J. Y. [Peter X. Ma, 2006; Rho, J. Y., 1998].

На отдаленных от дефекта участках также наблюдается значительные изменения микротвердости. Уменьшение твердости происходит через 15 дней после травмы и усугубляется на 24 сутки. Число твердости через 15 дней наблюдения составляет 160,41±0,97 кгс/мм² у молодых животных, 206,04±1,45 кгс/мм² – у зрелых и 151,37± 1,34 кгс/мм² – у старых. Через 24 дня показатель твердости стремительно уменьшается и равняется соответственно возрасту 100,29±0,57 кгс/мм², 110,31±0,79 кгс/мм² и 128,42±0,91 кгс/мм². Следует отметить стремительное снижение микротвердости у молодых и зрелых животных и незначительные изменения показателя у крыс старческого возраста, что может свидетельствовать о снижении обменных процессов в костной ткани с возрастом.

Гипоосмолярная гипергидрия легкой степени не вызывает достоверных изменений числа твердости как в дефекте так и на отдаленных участках травмированной кости у молодых и зрелых животных. Разница с контролем у животных старческого возраста составляет в дефекте 8,65% (р≤0,05) и на отдаленных участках кости 6,54% (р≤0,05) через 15 дней после травмы. Через 24 сутки разница с контролем составляет 7,68% (р≤0,05) и 9,47% (р≤0,05) соответственно срокам наблюдения. Средняя степень гипергидрии приводит к достоверному снижению числа твердости во всех исследуемых участках. Так через 15 дней HV новообразованной кости меньше от контрольных показателей соответственно от 6,78% (р≤0,05) до 13,57% (р≤0,05). Через 24 дня разница с контролем составляет соответственно возрасту 8,23% (р≤0,05), 8,31% (р≤0,05) и 14,85% (р≤0,05). На удаленных участках травмированной кости наблюдается значительное снижение микротвердости. Разница по отношению к контрольным животным составляет через 15 дней 7,32% (р≤0,05), 7,55% (р≤0,05) и 9,56% (р≤0,05) соответственно возрастным группам. Через 24 дня разница с контролем увеличивается, что свидетельствует о глубоких нарушениях метаболизма как регенерата так и нетравмированной кости. Так, число твердости в данных участках меньше по отношении к контрольной серии соответственно на 9,61% (р≤0,05), 8,42% (р≤0,05) и 12,75% (р≤0,05).

Тяжелая степень гипергидрии приводит к стремительному снижению числа твердости как новообразованной так и "материнской" костной ткани травмированного органа. Наибольшая разница по отношению к контролю наблюдается у животных старческой возрастной группы и составляет через 15 дней18,96% (р≤0,01) и 15,74% (р≤0,05) и через 24 дня – 28,95% (р≤0,01) и 17,02% (р≤0,01).

Таким образом, число твердости регенерата возрастает в последний срок протекания репаративной регенерации но отстает от показателей нетравмированной кости, что свидетельствует о незавершенности ремоделирования новообразованной костной ткани. Гипоосмолярная гипергидрия приводит к уменьшению твердости костной ткани регенерата и неповрежденного компактного вещества. Интенсивность изменений числа твердости имеет выраженную зависимость от степени нарушения водно-солевого баланса, в то время как на микротвердость неповрежденных участков преимущественное влияние имеет возраст животных.

Литература.

1. Peter X. Ma Scaffolding in tissue engineering // X. Ma Peter, J. Elisseeff // Taylor & Francis Group, 2006 – 638 p.

2. Rho J.Y. Mechanical properties and the hierarchical structure of bone / J.Y. Rho, L. Kuhn-Spearing, P. Zioupos/ Med. Eng. Phys. – 1998. – Vol. 20. – P. 92 – 102

3. Yuehuei H.A. Mechanical testing of bone and bone-implant interface / H.A. Yuehuei, Draughn R.A. / CRC Press, Florida. – 2000. – 624p.

4. Кількісний мікроаналіз кальцій-фосфорного обміну кісткової тканини після остеотомії/ В.З. Сікора, В.І. Бумейстер, М.В. Погорєлов, [та ін.]// Світ медицини та біології. – 2007. - №3. – С. 36-38.

5. Корж Н.А. Репаративная регенерация кости: современный взгляд на проблему. Стадии регенерации [Н.А. Корж, Н.В. Дедух]// Ортопедия, травматология и протезирование. - 2006. - №1. - С. 76-84.

6. Паршев С.Н. Микротвердость материалов / С.Н. Паршев, Н.Ю. Полозенко // ВолгГТУ, Волгоград, 2004. – 15 с.

7. Ткачук С.А. Мікротвердість та вміст макроелементів у середині діафізу кісток грудної кінцівки в постнатальному періоді онтогенезу курей батьківського стада блойлерів КРОСУ СОВВ-500 / С.А. Ткачук // Наукові доповіді НАУ. – 2008. - №14 (12). – С. 1–10.