Ортопедиялык импланттардын узак мөөнөттүү ийгилиги импланттын бети менен аны курчап турган сөөк тканынын ортосунда эрте мезгилде түзүлгөн биологиялык жана механикалык байланыштан көз каранды. Бул процесс адатта оссеоинтеграция деп аталат. Оссеоинтеграция импланттын сөөккө жөн гана физикалык тийишүүсүн эмес; сөөк клеткаларынын имплант бетине жабышуусун, көбөйүшүн, дифференцияланышын, клетка сыртындагы матрикс өндүрүшүн жана убакыт өткөн сайын импланттын айланасында туруктуураак сөөк–имплант интерфейсинин түзүлүшүн билдирет.

Изилдөөнүн баштапкы негизи — калктын карылыгы күчөгөн сайын туруктуураак ортопедиялык импланттарга болгон муктаждык көбөйүп жатканы. Жамбаш, тизе, омуртка же травма хирургиясында колдонулган импланттар узак мөөнөттүү ийгиликтүү болушу үчүн имплант материалы жана бетинин түзүлүшү сөөк тарабынан эрте мезгилде кандай кабыл алынарын түшүнүү керек. Бул суроону түздөн-түз тирүү жаныбар моделдеринде изилдөө этикалык, биологиялык жана чыгымдык жактан чектелүү. Жөнөкөй клетка маданияты системалары болсо сөөктүн табигый үч өлчөмдүү түзүлүшүн, клетка–матрикс мамилелерин жана механикалык касиеттерин жетиштүү чагылдырбайт.

Ошондуктан изилдөөчүлөр ex vivo сөөк орган модели деп аталган ортоңку платформаны колдонушкан. Ex vivo модель — тирүү организмден алынган ткань лабораториялык шартта белгилүү убакытка чейин жашоого жөндөмдүүлүгүн сактап турган абалда изилденет дегенди билдирет. Мындай модель классикалык эки өлчөмдүү клетка маданиятына караганда реалдуураак; анткени ткандын табигый трабекулярдык архитектурасы, сөөк матрикси жана клеткалардын өз чөйрөсү көп жагынан сакталат. Ошол эле учурда тирүү жаныбар эксперименти менен салыштырганда көзөмөлгө алууга оңой, стандартташтырууга ылайыктуу жана этикалык жактан чектелүүрөөк ыкма.

Бул изилдөөдө колдонулган модель бодо малдын сөөгүнө негизделген. Изилдөөчүлөр бодо малдын сөөк ткандарын жергиликтүү мал союучу жайдан тамак-аш өнөр жайынын кошумча продуктусу катары алышкан. Этикалык билдирүүгө ылайык, бул изилдөө үчүн атайын жаныбар өлтүрүлгөн эмес жана тирүү жаныбар эксперименти жүргүзүлгөн эмес. Бул жагдай маанилүү; анткени изилдөөнүн максаты имплант изилдөөлөрүндө жаныбар эксперименттерин азайтууга жардам бере турган пре-клиникалык тест платформасын иштеп чыгуу.

Изилдөөнүн негизги илимий суроосу мындай: Динамикалык механикалык жүктөө имплант менен тийишкен сөөк тканында эрте оссеоинтеграцияны күчөтөбү? Сөөк механикалык стимулдарга сезгич ткань. Күнүмдүк жашоодо басуу, күч түшүрүү, булчуң тартылышы жана жүк көтөрүү сыяктуу механикалык таасирлер сөөк клеткалары тарабынан кабыл алынат. Бул кабыл алуу процесси механотрансдукция (mechanotransduction) деп аталат. Механотрансдукция аркылуу сөөк ага түшкөн жүктөрдүн багытына жана чоңдугуна жараша кайра түзүлө алат. Ошондуктан имплант изилдөөлөрүндө материалды гана эмес, материал менен сөөктүн ортосундагы механикалык чөйрөнү да моделдөө керек.

Изилдөөчүлөр мурда статикалык механикалык жүктөөдө колдонулган сөөк орган модели концепциясын өнүктүрүп, бул жолу динамикалык кысуу жүктөөсүн кошушкан. Максат — сөөктүн физиологиялык чөйрөсүн жакшыраак окшоштуруу. Адам организминде сөөк бир гана туруктуу күчкө дуушар болбойт; ал ритмдүү, кайталанма жана ар кандай чоңдуктагы механикалык стимулдарды алат. Бул изилдөөдөгү динамикалык жүктөө да ушул идеяны жөнөкөйлөштүрүлгөн лабораториялык түзүлүштө чагылдырууга аракет кылат.

Изилдөөдө эки өз алдынча эксперименттик иш жүргүзүлгөн. Ар бир эксперименттик иште 16 сөөк цилиндри даярдалып, жалпысынан 32 сөөк цилиндри маданиятка коюлган. Төрт топ түзүлгөн: биринчи топ туруктуу статикалык жүк менен бирге күн сайын динамикалык жүктөө алган; экинчи топ туруктуу статикалык жүк менен бирге жумасына бир жолу динамикалык жүктөө алган; үчүнчү топ бир гана статикалык жүктө болгон; төртүнчү топ болсо механикалык жүк берилбеген көзөмөл тобу болгон. Бул дизайн динамикалык стимулдун жыштыгы менен статикалык жүктүн таасирин салыштырууга мүмкүндүк берет.

Сөөк үлгүлөрү бодо малдын сан сөөгүнөн даярдалган. Цилиндрлер 16 mm диаметри жана 5 mm бийиктиги менен стандартташтырылган. Мындан тышкары ар бир сөөк цилиндринин ортосуна 6 mm диаметрлүү борбордук канал ачылган. Бул каналдын максаты маданият чөйрөсүндөгү азык заттар менен кычкылтектин сөөктүн ички бөлүктөрүнө жакшыраак жетишин камсыз кылуу. Трабекулярдык сөөк тыгыз жана үч өлчөмдүү түзүлүшкө ээ болгондуктан, лабораториялык маданиятта негизги көйгөйлөрдүн бири — ткандын ички аймактарында азык жана кычкылтек диффузиясынын чектелиши.

Бул диффузия көйгөйү изилдөөнүн күчтүү да, чектөөчү да жактарынын бири. Борбордук канал моделди жакшыртса да, Live/Dead боёо жыйынтыктары жандуу клеткалар өзгөчө сөөк бетинде, имплант менен тийишкен аймакта жана борбордук каналдын айланасында көбүрөөк топтолгонун көрсөткөн. Бул тереңирээк аймактарда азык ташуу дагы эле чектелиши мүмкүн экенин көрсөтөт. Изилдөөчүлөр да келечекте перфузияга негизделген маданият системаларын кошуу моделдин физиологиялык реалдуулугун арттыра аларын белгилешкен.

Моделдин техникалык дизайны көңүл бурууга арзыйт. Изилдөөдө атайын 3D басылган бөлүктөр колдонулган: сөөк кармагычтар, жүктөө штамптары, petri идиш платформалары, аралык бөлүктөр жана Mach-1™ механикалык системасына кошууга керектүү монтаж элементтери. 1-сүрөттө моделдин компоненттери майда-чүйдөсүнө чейин берилет: petri идишинин капкагы, кошумча өндүрүш менен жасалган жүктөө штампы, титан имплант, сөөк цилиндри, атайын кармагыч, төмөнкү petri идиши, аралык бөлүк, чарчы petri идиши жана системаны механикалык жүктөө түзмөгүнө бекиткен туташтыргыч. Мындай стандартташкан бөлүктөр ар бир үлгүнү окшош позицияда жана окшош механикалык шартта кармоого жардам берет.

2-сүрөт сөөк кармагычтын компьютердик дизайндан 3D басылган акыркы продуктка айланышын көрсөтөт. Бул сүрөт изилдөө бир гана биологиялык эксперимент эмес, инженердик жагы күчтүү модель иштеп чыгуу иши да экенин көрсөтөт. Сөөк цилиндрин жана имплантты лабораториялык шартта туруктуу, кайталануучу жана жүктөлө турган абалда кармоо алынган жыйынтыктардын ишенимдүүлүгү үчүн маанилүү.

Изилдөөдө колдонулган титан импланттар Ti6Al4V эритмесинен жасалган. Бул эритме болжол менен %90 титан, %6 алюминий жана %4 ванадийден турат. Импланттар электрондук нур менен эритүү (electron beam melting, EBM) ыкмасы менен өндүрүлгөн. Эки түрдүү көңдөйлүү архитектура бааланган: wurtzite жана diamond түзүлүштөрү. Эки имплант тиби тең 15 mm диаметри жана 2 mm бийиктиги менен даярдалган. Бул көңдөйлүү түзүлүштөрдүн максаты сөөк клеткаларынын имплант бетине жабышуусуна жана бет бою жайылышына ылайыктуу үч өлчөмдүү топография түзүү.

Имплант архитектурасы оссеоинтеграция үчүн маанилүү; анткени көңдөй өлчөмү, strut калыңдыгы жана беттин оройлугу белок адсорбциясына, клетка жабышуусуна жана клеткалардын бет боюнча жайылышына таасир этиши мүмкүн. Изилдөөдө diamond импланттардын көңдөй өлчөмү wurtzite импланттарга караганда статистикалык жактан маанилүү түрдө чоң, strut туурасы болсо маанилүү түрдө кичине болгон. Diamond импланттарда орточо көңдөй өлчөмү 0,81 ± 0,06 mm, strut туурасы 0,32 ± 0,04 mm болуп өлчөнгөн. Wurtzite импланттарда болсо орточо көңдөй өлчөмү 0,64 ± 0,09 mm, strut туурасы 0,37 ± 0,04 mm болгон. Эки айырма үчүн тең p < 0,0001 деп берилген.

Беттин оройлугу боюнча статистикалык маанилүү айырма табылган эмес. Diamond импланттарда Sa мааниси 1,37 ± 0,62 µm, wurtzite импланттарда 1,59 ± 0,77 µm болгон; p мааниси 0,24. Бул жыйынтык эки имплант архитектурасы геометриялык көңдөй түзүлүшү жагынан айырмаланганын, бирок бет оройлугу боюнча ачык айырма жок экенин көрсөтөт. Бул бөлүү маанилүү; анткени клеткалык жоопту чечмелегенде бет оройлугунан көрө макро/микро архитектура айырмаларынын ролун кароо керек.

Динамикалык механикалык жүктөө Mach-1™ микромеханикалык системасы менен берилген. Динамикалык жүктөө 1 жана 2-топтордогу сөөк цилиндрлерине колдонулган. Система жылышты көзөмөлдөө режиминде иштеген, 1 Hz жыштыкта 300 циклдик синусоидалдык кысуу профили колдонулган. Колдонулган күчтү максаттуу диапазондо кармоо үчүн синусоидалдык жылыш амплитудасы эксперимент бою жөнгө салынып турган. Жыйынтыктарда 1-топ үчүн колдонулган күч 19,5–21,8 N, 2-топ үчүн 19,8–20,9 N диапазонунда болуп, максаттуу маанинин айланасында сакталып турганы айтылган.

Изилдөөдө колдонулган синусоидалдык кысуу логикасын түшүндүрүү үчүн төмөнкү негизги байланыш колдонулушу мүмкүн:

\[ x(t) = A \sin(2\pi f t) \]

Бул жерде x(t) убакытка көз каранды жылышты; A синусоидалдык жылыш амплитудасын; f жүктөө жыштыгын; t убакытты билдирет. Бул формула изилдөөдө түз чыгарылган теңдеме эмес; динамикалык жүктөө эмне үчүн “синусоидалдык” деп аталганын түшүндүрүү үчүн берилген негизги механикалык байланыш. Изилдөөдө жыштык f = 1 Hz болуп колдонулган. Башкача айтканда, система секундасына бир кысуу циклин түзгөн.

Статикалык жүк үчүн 1–3-топтордо ар бир сөөк цилиндрине 5 N эквивалентиндеги туруктуу кысуу берилген. Бул имплант менен сөөктүн ортосундагы контактты сактоону жана микро деңгээлдеги ашыкча кыймылды азайтууну көздөйт. Оссеоинтеграция контекстинде mikromotion, башкача айтканда имплант менен сөөктүн ортосундагы керексиз майда кыймылдар фиброздук ткань пайда болушун күчөтүп, сөөк интеграциясына терс таасир этиши мүмкүн. Ошондуктан статикалык контактты сактоо модель үчүн биомеханикалык жактан негиздүү.

8-сүрөт динамикалык жүктөө учурунда синусоидалдык амплитуданын убакыт боюнча өзгөрүшүн көрсөтөт. Күн сайын динамикалык жүктөө тобунда амплитуда 0,380 mm менен 0,158 mm аралыгында, жумалык динамикалык жүктөө тобунда болсо 0,242 mm менен 0,170 mm аралыгында өзгөргөн. Эки топто тең амплитуда убакыт өткөн сайын жалпы азайуу тенденциясын көрсөткөнү система бирдей күч деңгээлин сактоо үчүн ткань/түзүлүш катуулугундагы өзгөрүүгө ыңгайлашканын көрсөтүшү мүмкүн. 1-топто айрым күндөрдө убактылуу өсүүлөр байкалган. Бул детал ex vivo механикалык жүктөө системалары канчалык сезимтал экенин жана маданият чөйрөсүндөгү кичине өзгөрүү да механикалык параметрлерге таасир бере аларын көрсөтөт.

Сөөк жашоого жөндөмдүүлүгүн сандык баалоодо alamarBlue тести колдонулган. Бул тест метаболикалык активдүү клеткалардын resazurinди калыбына келтирүү жөндөмүнө негизделет. Жөнөкөй айтканда, жандуу жана метаболикалык активдүү клеткалар күчтүүрөөк флуоресценция сигналын берет. Изилдөөдө өлчөөлөр 0, 1, 2, 7, 14 жана 21. күндөрдө жүргүзүлүп, сөөк цилиндринин салмагына жараша нормалдаштырылган.

alamarBlue жыйынтыктарында бардык топтордо биринчи эки күндө метаболикалык активдүүлүк төмөндөп, 7. күндөн баштап статистикалык жактан маанилүү жогорулаш байкалган. Баштапкы төмөндөө сөөктү бөлүп алуу, кесүү, тешүү, маданиятка коюу жана алгачкы гипоксия/стресс таасирлери менен шайкеш деп чечмеленген. 7. күндөн кийинки өсүш ткань маданият шартына ыңгайлашканын жана метаболикалык активдүү клетка популяциясы сакталганын көрсөтөт. Pooled талдоодо бардык топтордо 7. күндөн баштап маанилүү жогорулаш билдирилген; эң аз дегенде p < 0,001 деңгээлинде.

Бирок механикалык жүктөө топторунун ортосунда анализ жүргүзүлгөн эч бир күнү маанилүү айырма табылган эмес. Башкача айтканда, күн сайын динамикалык жүктөө, жумалык динамикалык жүктөө, бир гана статикалык жүктөө жана жүк берилбеген көзөмөл арасында метаболикалык активдүүлүк боюнча так артыкчылык аныкталган эмес. Бул жыйынтык изилдөөнүн гипотезасы үчүн маанилүү; анткени динамикалык жүктөө жашоого жөндөмдүүлүктү же эрте оссеоинтеграцияны олуттуу күчөтөт деген күтүм колдоого алынган эмес.

Live/Dead боёо жыйынтыктары сөөк тканы жана имплант беттериндеги клетка жашоого жөндөмдүүлүгүн сапаттык баалоого мүмкүндүк берген. 0-күндөгү үлгүлөрдө өлгөн клеткалар басымдуу болгон, 21 күндөн кийин болсо бардык топтордо жандуулук көбөйгөн. Өзгөчө имплант тийген бетте жана борбордук тешиктин айланасында жандуу клеткалар көбүрөөк көрүнгөн. Бул бөлүштүрүү азык жана кычкылтек беттен жана борбордук каналдан жакшыраак тараганын, ал эми терең аймактарда диффузия чектелиши мүмкүн экенин көрсөтөт.

10-сүрөт 21. күндө горизонталдык имплант–сөөк интерфейсиндеги Live/Dead флуоресценция сүрөттөрүн салыштырат. Топтор арасында айкын сапаттык айырма билдирилген эмес. Бул сүрөттөр модель жалпы клетка жандуулугун сактаганын, бирок жандуу клеткалар аймактык түрдө бөлүштүрүлгөнүн көрсөтөт. Бул жыйынтык модель иштей турганын, бирок перфузия сыяктуу кошумча системалар менен дагы жакшыртууга болорун көрсөтөт.

Имплант беттерине клеткалардын сыртка өсүшү да изилдөөнүн негизги темаларынын бири. Live/Dead боёосу 21 күндүн аягында бардык эксперименттик импланттарда сөөк клеткаларынын сыртка өсүшү болгонун көрсөткөн. Терс көзөмөлдөрдө клетка байкалган эмес. Сөөк менен түз тийишкен имплант беттери дээрлик толугу менен жандуу клеткалар менен капталган; тереңирээк көңдөйлүү аймактарда да жандуу клеткалар көрүлгөн. Сөөк менен тийишпеген каршы беттерде клетка тыгыздыгы төмөнүрөөк болсо да, жандуу клетка каптоосу дагы бар болгон.

Бул жыйынтык имплант беттерин сөөктөн чыккан клеткалар колонизациялай аларын көрсөтөт. Оссеоинтеграциянын эрте баскычтары үчүн бул маанилүү көрсөткүч; анткени имплант бетине клетка жабышуусу кийинки матрикс өндүрүшү жана сөөк интерфейси түзүлүшү үчүн алгачкы кадамдардын бири. Бирок изилдөө клетканын бул сыртка өсүшү динамикалык жүктөө топторунда статистикалык жактан көбүрөөк болгонун көрсөткөн эмес.

Гистологиялык талдоодо Giemsa менен боёлгон Technovit кесиндилери колдонулган. Остеоцит бар лакуналар жана бош лакуналар саналган. Остеоциттер — сөөк тканынын ичинде лакуна деп аталган майда боштуктарда жайгашкан жетилген сөөк клеткалары. Остеоцит бар лакуналардын көп болушу сөөк тканында жандуу клеткалар сакталганын көрсөтөт. Изилдөөдө бардык топтордо остеоцит бар лакуналар бош лакуналардан көп болгон. Бул 21 күндүк маданият мезгилинде сөөктүн жандуулугу гистологиялык жактан да сакталып турганын колдойт.

Лакуна тыгыздыгын нормалдаштыруунун негизги логикасы төмөнкүдөй түшүндүрүлөт:

\[ \text{Lakün yoğunluğu} = \frac{\text{Lakün sayısı}}{\text{Trabeküler kemik alanı}} \]

Бул жерде лакуна саны — белгилүү микроскопиялык кызыгуу аймагында саналган остеоциттүү же бош лакуналарды; трабекулярдык сөөк аянты болсо mm² менен талданган сөөк аянтын билдирет. Бул формула изилдөөдө колдонулган саноо ыкмасын түшүнүктүү кылуу үчүн берилген. Изилдөөдө лакуналар трабекулярдык сөөк аянтына карата нормалдаштырылган; ошентип ар кандай кесиндилердеги сөөк аянтынын өзгөрүүсүнүн таасири азайтылган.

12-сүрөттө лакуна саны көрсөтүлөт. 3-топ, башкача айтканда бир гана статикалык жүктөө тобу, остеоцит бар да, бош да лакуналар боюнча эң жогорку маанилерге ээ көрүнгөн; 4-топ, башкача айтканда жүк берилбеген көзөмөл, бош лакуналардын саны боюнча эң төмөн маанини көрсөткөн. Бирок бул айырмалар статистикалык жактан маанилүү эмес. Мындан тышкары, өзгөчө 3-топто өзгөрмөлүүлүк жогору. Ошондуктан гистологиялык жыйынтыктар жүктөө шарттарынын бирин ишенимдүү артыкчылыкка чыгарбайт.

Трабекулярдык сөөк архитектурасы µCT менен бааланган. Негизги параметр сөөк көлөмүнүн фракциясы, башкача айтканда BV/TV болгон. Изилдөөдө BV/TV сегментацияланган сөөк көлөмүнүн жалпы кызыгуу көлөмүнө катышы катары аныкталган. Бул байланыш төмөнкүдөй жазылат:

\[ BV/TV(\%) = \frac{BV}{TV} \times 100 \]

Бул жерде BV сөөк көлөмүн (bone volume), TV жалпы көлөмдү (total volume), BV/TV болсо пайыз түрүндөгү сөөк көлөмүнүн фракциясын билдирет. BV/TV трабекулярдык сөөк түзүлүшү канчалык толгон же тыгыз экенин көрсөткөн маанилүү морфометриялык параметр жана сөөк бекемдиги менен байланыштуу болушу мүмкүн.

µCT талдоосунда топтор арасында маанилүү айырма табылган эмес. Күн сайын динамикалык жүктөө тобу эң жогорку орточо BV/TV маанисин көрсөткөн, 0-күн көзөмөл тобу болсо эң төмөн мааниге ээ болгон. Бирок айырма маанилүү болбогондуктан, “күн сайын динамикалык жүктөө трабекулярдык сөөктү көбөйттү” деген бүтүм чыгарууга болбойт. Туурараак айтканда, күн сайын динамикалык жүктөөдө BV/TV жогору болууга карай статистикалык маанилүү эмес тенденция байкалган.

13-сүрөттө ар кандай трабекулярдык чечилиш деңгээлдерин көрсөткөн µCT реконструкциялары жана BV/TV салыштыруусу бар. Сүрөттөр 21 күндүн аягында трабекулярдык сөөк архитектурасы негизинен сакталып калганын көрсөтөт. Бирок сегментациянын сезгичтиги жана үлгүлөр аралык гетерогендүүлүк BV/TV өлчөөлөрүнүн өзгөрмөлүүлүгүнө салым кошкон болушу мүмкүн. Бул ex vivo сөөк моделдеринде кеңири кездешкен кыйынчылык; анткени ар бир сөөк цилиндри бир эле жаныбардан алынган күндө да микроархитектурасы толук бирдей болбойт.

Остеогендик маркерлер катары ALP жана остеокальцин иммундук флуоресценция боёолору колдонулган. ALP остеобласт активдүүлүгү жана эрте остеогендик дифференциялануу менен байланышкан маркер. Остеокальцин болсо жетилген остеобласт/сөөк матриксинин түзүлүшү контекстинде бааланат. Бирок изилдөөдө ALP жана остеокальцин сигналдары бардык эксперименттик топтордо көрүлгөнү менен, экинчи антитело көзөмөлдөрүндө да окшош флуоресценция сигналдары байкалган. Бул спецификалык эмес фон боёосу чечмелөөнү чектегенин көрсөтөт.

Ошондуктан изилдөө ALP жана остеокальцин жыйынтыктарынан топко байланышкан күчтүү бүтүм чыгарган эмес. Бул илимий тактык үчүн өтө маанилүү. Сүрөттө флуоресценциянын болушу өз алдынча ишенимдүү биологиялык айырма дегенди билдирбейт; көзөмөлдөрдө да сигнал болсо, анын канчасы чыныгы маркер экспрессиясы, канчасы фон боёосу экенин этият ажыратуу керек. Изилдөөнүн бул жагынан этият болушу туура.

LV-SEM талдоосу имплант бетиндеги клетка морфологиясын көрсөткөн. 21 күндүн аягында бардык механикалык жүктөө топторундагы импланттарда клетканын сыртка өсүшү аныкталган. Клеткалар көбүнчө узарган морфологияга ээ болуп, имплант бетинде бири-бири менен байланышкан тор сыяктуу катмарларды түзгөн. Айрым жерлерде клетка катмарында ажыроолор байкалган. Терс көзөмөл имплант бетинде клетка болгон эмес. Бул жыйынтык модель ичинде клеткалар имплант бетине жабышып, бет боюнча ийгиликтүү жайылганын колдойт.

Изилдөөнүн тарыхый мааниси сөөк–имплант өз ара аракеттенүүсүн реалдуураак, бирок этикалык жактан чектелүүрөөк эксперименттик платформада изилдөө аракетине салым кошконунда. Салттуу клетка маданияттары имплант бетине клетка жабышуусун көрсөтө алат, бирок чыныгы сөөк тканынын трабекулярдык түзүлүшүн, остеоцит лакуналарын, клетка–матрикс байланыштарын жана механикалык чөйрөнү жетиштүү чагылдырбайт. Тирүү жаныбар моделдери толугураак болгону менен этикалык чектөөлөр, түр айырмачылыктары жана эксперименттик көзөмөл кыйынчылыктары бар. Бул изилдөө ушул эки чектин ортосунда жайгашкан орган моделин өнүктүрөт.

Бүгүнкү мааниси имплант биоматериалдарын жана бет архитектураларын алдын ала баалоодо кайталанма, көзөмөлдөнгөн жана көп ыкмалуу талдоого ылайыктуу система сунуштаганында. Изилдөөдө бир эле модель ичинде метаболикалык активдүүлүк, жандуулук боёосу, гистология, µCT, иммундук флуоресценция жана SEM колдонулган. Бул мультимодалдык баалоо сөөк–имплант интерфейсин бир гана өлчөм менен эмес, ар кайсы жактан кароого мүмкүндүк берет.

Келечек жагынан изилдөө перфузияга негизделген маданият системаларын механикалык жүктөө менен айкалыштыруу зарылдыгын көрсөтөт. Анткени механикалык стимул ткандын метаболикалык муктаждыгын күчөтүшү мүмкүн; бирок кан тамыр тармагы жок ex vivo ткандын ичинде кычкылтек жана азык ташуу чектелет. Эгер динамикалык жүктөө сөөктү “иштөөгө” түртүп, бирок жетиштүү азык жана кычкылтек берилбесе, остеогендик жооп күтүлгөндөй болбой калышы мүмкүн. Ошондуктан жүктү көбөйтүү менен гана чектелбестен, ткандын азыктануусун жана калдыктарды чыгарууну да жакшыртуу керек.

Күнүмдүк жашоого таасири жагынан бул изилдөө бейтапка түз колдонулган дарылоону же имплант дизайнын сунуштабайт. Бирок келечекте чыдамдуураак ортопедиялык импланттарды иштеп чыгууга жардам бере турган тест системаларын жакшыртууга багытталган. Жакшы пре-клиникалык моделдер имплант беттери, көңдөйлүү архитектура жана механикалык чөйрө сөөк интеграциясына кандай таасир тийгизерин эртерээк баалоого жардам берет. Бул келечекте ишенимдүү имплант дизайндарын өнүктүрүүгө кыйыр салым кошушу мүмкүн.

Изилдөөнүн күчтүү жактарына стандартташкан сөөк цилиндринин геометриясы, 3D басылган атайын кармагыч системалар, көзөмөлдөнгөн статикалык жана динамикалык механикалык жүктөө, 21 күндүк маданият мөөнөтү, мультимодалдык талдоо жана тамак-аш өнөр жайынын кошумча продуктусу болгон бодо мал сөөгүн колдонуу кирет. Ушул жагынан модель биоматериал тесттери жана механобиология изилдөөлөрү үчүн пайдалуу платформа талапкери.

Чектөөлөрү да жыйынтыктардай маанилүү. Биринчиден, моделде кан тамыр тармагы жок; ошондуктан кычкылтек жана азык диффузиясы сөөк цилиндринин борборунда өзгөчө чектелет. Экинчиден, колдонулган механикалык жүктөө параметрлери сөөктө ачык анаболикалык жооп түзүүгө жетишсиз болгон болушу мүмкүн. Авторлор муну механобиологиялык “lazy zone” мүмкүнчүлүгү менен талкуулашат; башкача айтканда жүк сөөк клеткаларын күчтүү адаптациялык жоопко түртүүчү босогодон төмөн болушу мүмкүн. Үчүнчүдөн, талдоолордун көбү акыркы чекит өлчөөлөрү; бир эле үлгүнү убакыт ичинде бузбай кайра-кайра байкоо чектелүү. Төртүнчүдөн, ALP жана остеокальцин боёолорундагы фон сигналы чечмелөөнү татаалдаштырган. Бешинчиден, бодо мал тканынан алынган жыйынтыктарды адамдын сөөгүнө түз көчүрүүгө болбойт.

Изилдөөнүн айтканы: Изилдөөчүлөр титан импланттары менен бирге маданиятка коюла турган, 21 күн жашоого жөндөмдүүлүгүн жана трабекулярдык түзүлүшүн сактаган, статикалык жана динамикалык жүктөө берилчү бодо малдын ex vivo сөөк орган моделин түзүшкөн. Моделде бардык топтордо имплант бетинде жандуу клеткалардын сыртка өсүшү байкалган. Бирок колдонулган динамикалык жүктөө режимдери ушул эксперименттик шартта статистикалык маанилүү остеогендик же оссеоинтеграциялык артыкчылык жараткан эмес.

Изилдөөнүн айтпаганы да так. Бул изилдөө динамикалык жүктөө оссеоинтеграцияга эч кандай шартта таасир этпейт деп далилдебейт. Болгону ушул модель, ушул мөөнөт жана ушул күч/жыштык/цикл айкалышында статистикалык маанилүү айырма табылбаганын көрсөтөт. Ошондой эле бул изилдөө адам бейтаптарда импланттын ийгилигин, клиникалык жакшырууну, протездин кызмат мөөнөтүн же хирургиялык натыйжаларды түз далилдебейт. Бул пре-клиникалык модель иштеп чыгуу изилдөөсү жана клиникалык колдонуу дооматы жок.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Изилдөөнүн методологиясы сөөк–имплант интерфейсин көзөмөлдөнгөн ex vivo шартта изилдөө үчүн түзүлгөн көп баскычтуу эксперименттик платформага негизделет. Бодо малдын сан сөөгүнөн стандарттык сөөк цилиндрлери даярдалып, ар бир цилиндр көңдөйлүү титан импланты менен бириктирилип, ар кандай механикалык жүктөө шартында 21 күн маданиятта кармалган.

Изилдөөдөгү төрт механикалык жүктөө тобун төмөнкүдөй жыйынтыктоого болот:

Динамикалык жүктөөнүн түшүндүрмө математикалык формасы төмөнкү негизги синусоидалдык байланыш менен берилет:

\[ x(t) = A \sin(2\pi f t) \]

Бул жерде x(t) убакытка көз каранды жылышты, A жылыш амплитудасын, f жыштыкты жана t убакытты билдирет. Изилдөөдө динамикалык жүктөө 1 Hz жыштыкта жана 300 цикл менен колдонулган. Бул формула изилдөө колдонгон синусоидалдык кысуу профилин түшүндүрүү үчүн негизги механикалык байланыш катары берилген.

µCT талдоосунда сөөк көлөмүнүн фракциясы төмөнкүдөй берилет:

\[ BV/TV(\%) = \frac{BV}{TV} \times 100 \]

Бул жерде BV сөөк көлөмүн, TV жалпы талдоо көлөмүн, BV/TV болсо трабекулярдык сөөк көлөмүнүн фракциясын билдирет. Изилдөөдө бул параметр механикалык жүктөө топторунда трабекулярдык түзүлүш канчалык сакталганын баалоо үчүн колдонулган.

Жыйынтыктарды бирге караганда, моделдин негизги ийгилиги динамикалык жүктөө маанилүү остеогендик таасир бергенинде эмес, сөөк тканын 21 күн бою жандуу жана талдоого жарактуу абалда сактай алганында. Бул мөөнөт ичинде метаболикалык активдүүлүк сакталган, трабекулярдык түзүлүш негизинен сакталып, имплант бетинде жандуу клеткалардын сыртка өсүшү байкалган. Ошондуктан модель имплант биоматериалдарын пре-клиникалык баалоо жана механобиологиялык изилдөө үчүн пайдалуу платформа катары каралышы мүмкүн.

Бирок колдонулган динамикалык жүктөө параметрлери ушул эксперименттик түзүлүштө оссеоинтеграциянын айкын өсүшүн көрсөткөн эмес. Бул динамикалык жүктөөнүн биологиялык мааниси жок дегенди билдирбейт; тандалган күч чоңдугу, жыштык, цикл саны, жүктөө мөөнөтү, ткань өлчөмү жана азык ташуу шарттары жетиштүү остеогендик жооп түзбөшү мүмкүн экенин көрсөтөт. Изилдөөчүлөр сунуштагандай, келечекте моделге перфузия системаларын, башка жүктөө параметрлерин, узагыраак маданият мөөнөтүн жана убакыт ичинде кайталап зыян келтирбестен талдоо ыкмаларын кошуу керек.

Булак жана Ыкма Эскертүүсү

Бул макала Coralie Nagels, Bianca Riedel, Sunil Shetty, Hagen Schmal, Martin P. Pichotka, Ralf Thomann жана Michael Seidenstuecker тарабынан даярдалган “The Role of Dynamic Mechanical Loading in Early Implant Osseointegration Using a Bovine Ex Vivo Bone Organ Model” аттуу изилдөөгө негизделген.

Булак текст preprint изилдөө макаласы жана анда ачык түрдө “This preprint research paper has not been peer reviewed” деген сүйлөм бар. Ошондуктан изилдөө рецензиядан өтө элек. Жыйынтыктар клиникалык колдонмо сунушу же имплант ийгилигинин кепилдиги эмес, көзөмөлдөнгөн ex vivo модель иштеп чыгуу жана баалоо изилдөөсүнүн жыйынтыктары катары кабыл алынышы керек.

Изилдөө тирүү жаныбар эксперименти эмес. Бодо малдын сөөк тканы тамак-аш өнөр жайынын кошумча продуктусу катары жергиликтүү мал союучу жайдан алынган. Бул изилдөө үчүн атайын жаныбар өлтүрүлбөгөнү жана тирүү жаныбар эксперименти жүргүзүлбөгөнү айтылган. Модель жаныбар эксперименттерин азайтууга жардам бере турган пре-клиникалык платформа катары иштелип чыккан.

Бул мазмун PDFдеги изилдөөгө гана негизделген. PDFде жок клиникалык таасир, бейтапты дарылоо, импланттын кызмат мөөнөтү, хирургиялык ийгилик, коммерциялык колдонуу же коопсуздук кепилдиги кошулган эмес. Изилдөө динамикалык механикалык жүктөө ушул шарттарда статистикалык маанилүү остеогендик таасир бергенин далилдеген эмес; бир гана күн сайын динамикалык жүктөө тобунда BV/TV боюнча маанилүү эмес тенденция билдирилген.

Изилдөөнүн негизги чектөөлөрүнө кан тамыр тармагы жана системалык иммундук жооп жоктугу, азык жана кычкылтек диффузиясы сөөктүн борборунда чектелиши, механикалык жүктөө параметрлери жетиштүү биологиялык босого жетпей калышы мүмкүн экени, талдоолордун көбү акыркы чекит өлчөөлөрү болгону жана ALP/остеокальцин иммундук флуоресценциясындагы фон сигналы чечмелөөнү чектегени кирет. Мындан тышкары, бодо малдын сөөк модели адамдын сөөк биологиясына түз эквивалент эмес; адам тканына жана клиникалык колдонууга өтүү үчүн кошумча тастыктоо керек.