Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Тірі сүйек пен жасанды импланттың бетінің байланысы
Connection between living bone and the surface of an artificial implant
Остеоинтеграция (лат. osseus "сүйек" және integrare "толық ету") – тірі сүйек пен жүктемеге төтеп беретін жасанды импланттың бетінің арасындағы тікелей құрылымдық және функционалдық байланыс ("жүктемеге төтеп беру" Albrektsson және авторлар тобы 1981 жылы анықтағандай). Жақындағы анықтама (Schroeder және авторлар тобы бойынша) остеоинтеграцияны "функционалдық анкилоз (сүйек тірілігі)" деп сипаттайды, онда жаңа сүйек тікелей имплант бетіне орналасады және имплант механикалық тұрақтылық көрсетеді (яғни, механикалық қозғалыс немесе серпімді күштерге байланысты тұрақсыздыққа қарсы тұру қабілеті). Остеоинтеграция медициналық сүйек және буын алмастыру техникасын, сондай-ақ тіс имплантациясын және ампутация жағдайындағы протездерді жақсартуға үлкен үлес қосты.
Osseointegration (from Latin osseus "bony" and integrare "to make whole") is the direct structural and functional connection between living bone and the surface of a load bearing artificial implant ("load bearing" as defined by Albrektsson et al. in 1981). A more recent definition (by Schroeder et al.) defines osseointegration as "functional ankylosis (bone adherence)", where new bone is laid down directly on the implant surface and the implant exhibits mechanical stability (i. e., resistance to destabilization by mechanical agitation or shear forces). Osseointegration has enhanced the science of medical bone and joint replacement techniques as well as dental implants and improving prosthetics for amputees.
Тарих
Остеоинтеграцияны алғаш рет 1940 жылы Боте, Битон және Давенпорт байқаған, бірақ оны нақты айтқан жоқ. Боте және авторлар тобы жануарға титан имплантациясын жасаған алғашқы ғалымдар болды және ол сүйекпен бірігуге бейім екенін атап өтті. Левентал егеуқұйрықтардың жамбас сүйектеріне титан бұрандаларын орналастырып, былай деді: «6 апта соңында бұрандалар бастапқы орналастырылғаннан гөрі сәл тығыз болды; 12 аптада бұрандаларды алу қиынырақ болды; ал 16 апта соңында бұрандалар соншалықты тығыз болды, бір мысалда бұранданы алуға тырысқанда жамбас сүйегі сынды. Сүйек құрылымын микроскопиялық зерттеулерде имплантаттарға ешқандай реакция байқалмады, трабекулалық құрылым толығымен қалыпты болды». 1965 жылы Браннемарк, сол кезде Гетеборг университетінің анатомия профессоры, алғашқы адам пациенті – Гёста Ларссонға тіс имплантатын орналастырды. Бұл пациентте ауыз айнасының кемістігі болды және ауызды жабатын құрылғыны қолдау үшін имплантаттар қажет болды. Гёста Ларссон 2005 жылы қайтыс болды, ал бастапқы имплантаттар 40 жыл бойы қолданысқа түскеннен кейін де өз орнында қалды. 2015 жылдың 7 желтоқсанында «Ирак азаттығы» және «Тұрақты азаттық» операцияларының екі ардагері – Брайант Джейкобс және Эд Салау Америкада алғаш рет тері арқылы остеоинтеграцияланған протез алды. Бірінші кезеңде Солт-Лейк ардагерлер ауруханасының дәрігерлері әрбір пациенттің жамбас сүйегіне титан штырын енгізді. Шамамен алты аптадан кейін олар қайта оралып, протезді бекіту механизмін қосты. 2021 жылы профессор Әл Мудерис медицина ғылымдарының докторы атағын алу үшін талаптарға сәйкес диссертация қорғады, онда ампутациядан өткендер үшін остеоинтеграция: өткен, қазіргі және болашақ, негізгі ғылым, хирургиялық техникадағы жаңалықтар, имплантаттардың дизайны және оңалту стратегиялары талқыланды.
Osseointegration was first observed—albeit not explicitly stated—by Bothe, Beaton, and Davenport in 1940. Bothe et al. were the first researchers to implant titanium in an animal and remarked how it tended to fuse with bone. Leventhal placed titanium screws in rat femurs and said, "At the end of 6 weeks, the screws were slightly tighter than when originally put in; at 12 weeks, the screws were more difficult to remove; and at the end of 16 weeks, the screws were so tight that in one specimen the femur was fractured when an attempt was made to remove the screw. Microscopic examinations of the bone structure revealed no reaction to the implants, the trabeculation appeared to be perfectly normal." In 1965 Brånemark, who was at the time Professor of Anatomy at University of Gothenburg, placed dental implants into the first human patient—Gösta Larsson. This patient had a cleft palate defect and needed implants to support a palatal obturator. Gösta Larsson died in 2005, with the original implants still in place after 40 years of function. On December 7, 2015, two Operation Iraqi Freedom/Operation Enduring Freedom veterans, Bryant Jacobs and Ed Salau, became the first in America to get a percutaneous osseointegrated prosthesis. In the first stage, doctors at Salt Lake Veterans Affairs Hospital embedded a titanium stud in the femur of each patient. About six weeks later, they went back and attached the docking mechanism for the prosthesis. In 2021 Professor Al Muderis published a thesis for the requirements for the Doctor of Medical Science discussing Osseointegration for Amputees: Past, Present and Future Basic Science, Innovations in Surgical Technique, Implant Design and Rehabilitation Strategies.
Механизм
Остеоинтеграция – импланттың қасиеттерінің (мысалы, макрогеометрия, беттік қасиеттері және т.б.) молекулалық және жасушалық әрекет-қимылды өзгертуде атқаратын динамикалық процесс. Остеоинтеграция әртүрлі материалдарды пайдалану арқылы байқала мағанмен, көбінесе титанға немесе кальций фосфатының туындыларымен жабылған титанға қатысты сүйек тіндерінің реакциясын сипаттау үшін қолданылады. Бұрын титан имплантаттарының механикалық тұрақтандыру немесе интерфейстік байланыс арқылы сүйекте сақталуы мүмкін деп есептелген. Ал кальций фосфатымен жабылған имплантаттар химиялық байланыс арқылы тұрақтандырылады деп ойлаған. Қазіргі кезде кальций фосфатымен жабылған және титан имплантаттарының екеуі де кальций мен титан атомдарының тікелей байланысы арқылы немесе имплант/сүйек интерфейсіндегі цементтік қабат сияқты қабатқа байланысу арқылы сүйекпен химиялық тұрақтанатыны белгілі. Остеоинтеграция сүйек сынығының жазылу механизмімен ұқсас, бірақ кейбір айырмашылықтар бар (мысалы, хондрогендік алғашқы жасушалардың жоқтығы).
Osseointegration is a dynamic process in which characteristics of the implant (i. e. macrogeometry, surface properties, etc.) play a role in modulating molecular and cellular behavior. While osseointegration has been observed using different materials, it is most often used to describe the reaction of bone tissues to titanium, or titanium coated with calcium phosphate derivatives. It was previously thought that titanium implants were retained in bone through the action of mechanical stabilization or interfacial bonding. Alternatively, calcium phosphate coated implants were thought to be stabilized via chemical bonding. It is now known that both calcium phosphate coated implants and titanium implants are stabilized chemically with bone, either through direct contact between calcium and titanium atoms, or by the bonding to a cement line like layer at the implant/bone interface. While there are some differences (e. g. like the lack of chondrogenic progenitors), osseointegration occurs through the same mechanisms as bone fracture healing.
Техника
Металл, керамикалық және полимерлік материалдар сүйекке енгізілген тіс имплантаттары үшін қолданылған. Остеоинтеграция деп аталу үшін сүйек пен имплант арасындағы байланыс 100% болуы міндетті емес, ал остеоинтеграцияның мәні гистологиялық тұрғыдан байланыс дәрежесінен гөрі бекітілудің тұрақтылығынан көрінеді. Қысқасы, бұл – функционалдық жүктеме кезінде сүйекте аллопластикалық материалдардың клиникалық белгілері жоқ, берік бекітілуіне қол жеткізілетін және сақталанатын процесс. Импланттың жазылу уақыты мен бастапқы тұрақтылығы импланттың сипаттамаларына байланысты. Мысалы, бұранда тәрізді түбір дизайнын қолданатын имплантаттар, бұрандаларының сүйекке тигізетін әсері арқылы жоғары бастапқы механикалық тұрақтылыққа қол жеткізеді. Имплант орналастырылғаннан кейін, емделу әдетте бірнеше апта немесе айларға созылады, ал имплант толығымен сүйекке енгенге дейін. Интеграцияның алғашқы белгілері бірнеше аптадан кейін байқалады, ал келесі айлар мен жылдар бойы байланыс күшейе түседі. Бұранда тәрізді түбір дизайны бар имплантаттар сүйектің сіңуіне, содан кейін импланттың айналасындағы сүйектің қайта құрылуына және өсуіне әкеледі. Плато тәрізді түбір дизайнын қолданатын имплантаттар (немесе бұрандалардың арақашықтығы жеткілікті кең болатын бұранда тәрізді түбір имплантаттары) имплант айналасындағы сүйек түзлуінің өзгеше механизмін көрсетеді. Жоғарыда аталған бұранда тәрізді түбір имплантаттарынан айырмашылығы, плато тәрізді түбір имплантаттары имплант бетінде жаңадан сүйек қалыптастыруға қабілетті. Плато тәрізді түбір имплантаттарында байқалатын сүйек жазылу түрі мембраналық жазылу деп аталады. "Мини тіс имплантаттарын" қолдана отырып жасалған зерттеулерде, сүйек-имплант интерфейсінде микроқозғалыстың болмауы дұрыс остеоинтеграцияны қамтамасыз ету үшін қажет екендігі анықталды. Сондай-ақ, микроқозғалыстың белгілі бір шегі бар екендігі, одан асып кеткен жағдайда сүйектің талшықты қабықшамен қапталуы жүреді, бірақ остеоинтеграция болмайды. Сыртқы күштердің әсері болмаған жағдайда да басқа да асқынулар туындауы мүмкін. Бір мәселе – цементтің өсуі. Қалыпты жағдайда, имплант бетінде цементтің болмауы коллаген талшықтарының жабысуына кедергі келтіреді. Бұл әдетте имплантты қабылдайтын аймақта цемент түйіршік жасушаларының жоқтығынан туындайды. Бірақ, егер мұндай жасушалар болса, цемент имплант бетінде немесе айналасында пайда болуы мүмкін, және функционалдық коллаген оған жабысуы мүмкін.
For osseointegrated dental implants, metallic, ceramic, and polymeric materials have been used, To be termed osseointegration the connection between the bone and the implant need not be 100%, and the essence of osseointegration derives more from the stability of the fixation than the degree of contact in histologic terms. In short it is a process where clinically asymptomatic rigid fixation of alloplastic materials is achieved, and maintained, in bone during functional loading. Implant healing time and initial stability are a function of implant characteristics. For example, implants using a screw root form design achieve high initial mechanical stability through the action of their screws against bone. Following placement of the implant, healing typically takes several weeks or months before the implant is fully integrated into the bone. First evidence of integration occurs after a few weeks, while more robust connection is progressively effected over the next months or years. Implants that have a screw root form design result in bone resorption followed by interfacial bone remodeling and growth around the implant. Implants using a plateau root form design (or screw root form implants with a wide enough gap between the pitch of the screws) undergo a different mode of peri implant ossification. Unlike the aforementioned screw root form implants, plateau root form implants exhibit de novo bone formation on the implant surface. The type of bone healing exhibited by plateau root form implants is known as intramembranous like healing. In studies done using "Mini dental implants," it was noted that the absence of micromotion at the bone implant interface was needed to enable proper osseointegration. It was also noted that there is a critical threshold of micromotion above which a fibrous encapsulation process occurs, rather than osseointegration. Other complications may arise even in the absence of external impact. One issue is growth of cement. In normal cases, absence of cementum on the implant surface prevents attachment of collagen fibers. This is normally the case due to the absence of cementum progenitor cells in the area receiving the implant. However, when such cells are present, cement may form on or around the implant surface, and a functional collagen attachment may attach to it.
Материалдарды жасаудағы жетістіктер: металл көбіктері
2005 жылдан бері көптеген ортопедиялық құрылғылар өндірушілері кеуекті металл құрылымы бар өнімдерді ұсынды. Сүтқоректілерде жүргізілген клиникалық зерттеулер титан көбігі сияқты кеуекті металдардың кеуекті аймақта қан тамырлары жүйесінің қалыптасуына жағдай жасайтынын көрсетті. Ортопедиялық қолдануда тантал немесе титан сияқты металдар жиі қолданылады, себебі бұл металдардың жоғары созылу беріктігі, коррозияға төзімділігі және тамаша биоүйлесімділігі бар. Металл көбіктегі сүйекке ену процесі сүйек трансплантациясындағы процеске ұқсас. Металл көбіктің сүйекке ұқсас кеуекті қасиеттері сүйектің кеңінен өсуіне ықпал етеді, бұл остеобласттардың белсенділігіне мүмкіндік береді. Бұған қоса, кеуекті құрылым импланттың ішінде жұмсақ тіндердің жабысуына және қан тамырларының қалыптасуына жағдай жасайды. Бұл материалдар қазіргі уақытта жамбас, тізе және тіс имплантациясы секілді хирургиялық операцияларда қолданылады.
Since 2005, a number of orthopedic device makers have introduced products with porous metal construction. Clinical studies on mammals have shown that porous metals, such as titanium foam, may allow formation of vascular systems within the porous area. For orthopedic uses, metals such as tantalum or titanium are often used, as these metals have high tensile strength and corrosion resistance with excellent biocompatibility. The process of osseointegration in metal foams is similar to that in bone grafts. The porous bone like properties of the metal foam contribute to extensive bone infiltration, allowing osteoblast activity to take place. In addition, the porous structure allows for soft tissue adherence and vascularization within the implant. These materials are currently deployed in hip replacement, knee replacement and dental implant surgeries.
Сынау әдістері
Импланттың сүйекке ену деңгейін және одан кейінгі тұрақтылығын бағалау үшін бірнеше әдіс қолданылады. Көп қолданылатын диагностикалық процедуралардың бірі – перкуссиялық талдау, онда тіс аспабы имплант тірегіне соғылады. Соның нәтижесінде туындайтын дыбыстың сипаты импланттың тұрақтылығын сапалы түрде бағалауға пайдаланылады. Сүйекке толық енген имплант жоғары жиілікті, «кристалл» тәрізді дыбыс шығарады, ал енбеген имплант – тұңғыр, төмен жиілікті дыбыс шығарады. Тағы бір әдіс – кері бұру тесті, онда имплант тірегі бұрылып алынады. Егер кері бұру қысымы кезінде тірек бұрылмаса, имплант тұрақты деп есептеледі. Егер имплант қысым астында бұрылса, ол сәтсіз деп танылып, алынып тасталады. Бұл әдіс сүйек ену процесінің ортасында тұрған сүйектің сынуына әкелуі мүмкін. Инвазивті емес және көбірек қолданылатын диагностикалық әдіс – резонанстық жиілік талдауы (РЖА). Бұл «осеоперцепция» дегеніміз, протезді пайдаланушы протездің сыртқы ортамен қалай өзара әрекеттесетінін дәлірек сезінеді. Мысалы, сүйекке бекітілген төменгі аяқ протезін пайдаланушылар, осеоперцепция арқасында қандай топырақтан өтіп бара жатқанын анықтай алады. Жақында жүргізілген зерттеулер сүйекке бекітілген жоғарғы және төменгі аяқ протезін пайдаланушыларда бұл осеоперцепцияның механорецепторлар ғана емес, сонымен қатар есту рецепторлары арқылы да жүзеге асырылатынын көрсетті. Яғни, пайдаланушылар құрылғыға түсетін механикалық күшті ғана сезінумен шектелмей, протезінің қозғалысын да естиді. Осы біріккен механикалық және есту сезімталдығы, сүйекке енгізілген протездерді пайдаланушылардың сыртқы ортаны дәстүрлі ұстағыштармен салыстырғанда жақсырақ қабылдауына себеп болады. Дегенмен, бұл сезімдік кері байланыс протезді пайдаланушылардың күнделікті өміріне қаншалықты әсер ететіні әлі анық емес.
There are a number of methods used to gauge the level of osseointegration and the subsequent stability of an implant. One widely used diagnostic procedure is percussion analysis, where a dental instrument is tapped against the implant carrier. The nature of the ringing that results is used as a qualitative measure of the implant's stability. An integrated implant will elicit a higher pitched "crystal" sound, whereas a non integrated implant will elicit a dull, low pitched sound. Another method is a reverse torque test, in which the implant carrier is unscrewed. If it fails to unscrew under the reverse torque pressure, the implant is stable. If the implant rotates under the pressure it is deemed a failure and removed. This method comes at the risk of fracturing bone that is mid way in the process of osseointegration. A non invasive and increasingly implemented diagnostic method is resonance frequency analysis (RFA). This "osseoperception" means that the prosthesis user regains a more accurate sense of how the prosthesis is interacting with the world. Users of bone anchored lower limb prostheses report, for example, that they can tell which type of soil they are walking on due to osseoperception. Recent research on users of bone anchored upper and lower limb prostheses showed that this osseoperception is not only mediated by mechanoreceptors but also by auditory receptors. This means that, rather than just feeling mechanical influences on the device, users also hear the movements of their prosthesis. This joint mechanical and auditory sensory perception is likely responsible for the improved environment perception of users of osseointegrated prostheses compared to traditional socket suspended devices. It is not clear, however, to what extent this implicit sensory feedback actually influences prosthesis users in everyday life.