Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Отличия заключаются в наличии фиброзной соединительнотканной надхрящницы, глубоких инвагинаций рыхлой соединительной ткани ссосудами вглубь хряща, что необходимо для улучшения питания толстого хряща, атакже значительно большего содержания хондроцитов и меньшего объема матрикса. Вреберном хряще коллагеновые фибриллы более толстые и длинные, что необходимо дляподдержания нагрузки на сжатие и растяжение [21].Рисунок 4. Схематическое изображение сочленения ребер с грудиной посредствомреберных хрящей.1.1.6. Дегенеративные заболевания хрящаЗаболевания опорно-двигательного аппарата в настоящее время по распространенностинаходятся на четвертом месте после диабета, онкологических и сердечнососудистыхзаболеваний [22].
Наиболее типичными заболеваниями, связанными с деградациейхрящевой ткани, являются разнообразные дисфункции суставов, такие как артрит,артроз, остеохондроз. Остеоартрит (ОА) – наиболее распространенное заболеваниесуставов, характеризующееся дегенеративными изменениями в суставном хряще [23].ОА трудно диагностируется, особенно на ранних стадиях заболевания. Для диагностикиобычно используют артроскопию сустава - достаточно сложную, инвазивную процедурувизуального наблюдения дефектов суставной поверхности.
Среди дефектов суставногохрящаразличаютповерхностноеистощениепротеогликанов,разориентациюколлагеновых фибрилл и уменьшение содержания коллагена, которые невозможноразличить ни рентгенографически, ни с помощью радиографии [16, 24].16Другие,неменеераспространенныезаболеванияхрящей–остеохондрозиревматоидный артрит связаны с нарушением метаболизма, приводящим к недостаткупитания хрящевых клеток и отложению солей в тканях, и также могут быть обнаруженылишь на поздней стадии [25,26].
Риск развития данных заболеваний существенновозрастает при наличии хронических воспалительных процессов. Кроме того, проблемадеградации хряща является насущной в спинальной хирургии [27] и отоларингологиипри лечении стеноза гортани [28]. Поэтому разработка методов ранней диагностикиповреждений хрящевой ткани является актуальной. Лечение данных заболеваний донедавнего времени представляло собой медикаментозную терапию, малоэффективнуюна поздних стадиях заболевания, либо хирургическую операцию, чреватую развитиемосложнений.
В настоящее время развиваются многочисленные подходы тканевойинженерии, такие как стимуляция активности костного мозга, аутогенная имплантацияпопуляций хондроцитов, замена разрушенной хрящевой ткани имплантатом изподходящего материала [29]. При этом предпочтение отдается наименее инвазивнымметодам лечения. Методы лазерной регенерации и коррекции формы хрящевой тканиоснованы на использовании неразрушающего лазерного воздействия, приводящего кактивацииестественнойвосстановительнойактивноститканиирелаксациимеханических напряжений [1,10].Настоящая работа направлена на поиск решений актуальных задач лазернойреконструкции хрящевой ткани при ее деградации и в процессе коррекции ее формы дляизготовления имплантатов в рамках применяющихся на данный момент медицинскихлазерных технологий и подходов, поэтому объектами исследования являются суставнойи реберный хрящ.1.2.
Лазерная модификация хрящевой ткани1.2.1. Изменение формы хрящаВ 1993 году было опубликовано исследование, посвященное изменению формыискривленнойносовойперегородкипосредствомприложениянеразрушающеголазерного воздействия [3]. Вначале искривленному хрящу механически придавалась ификсировалась желаемая форма, затем в местах деформации проводилось лазерноевоздействие.
В результате удавалось добиться стабильной новой формы хряща. Данноеисследование положило начало разработке технологии септохондрокоррекции –17медицинской процедуре коррекции формы искривленной носовой перегородки [30]. Посравнению с традиционной хирургической операцией данная процедура являетсябескровной, нетравматичной, не требует длительного периода реабилитации, а такжеможет быть произведена за существенно более короткое время в 10 – 15 мин.Впоследствии данная технология также была модифицирована для проведениякоррекции деформаций эластического хряща ушной раковины с перспективойприменения в косметологии [4,31].
В последнее время разрабатываются методы иподходы для лазерного изменения формы реберного хряща, который имеет своиструктурные и механо-физические особенности [32,33]. Реберный хрящ являетсяперспективным материалом для трансплантации, в том числе аутотрансплантации привосстановлении хряща носовой перегородки, трахеи и т.д. [5,34]. Данное применениестановится возможным благодаря относительной прочности реберного хряща всравнении с другими хрящами, однородности свойств и простоте извлечения у донора сминимальным разрезом тканей и большой объем донорского материала.
В частности,при лечении стеноза гортани пластины реберного хряща толщиной 1 – 3 мм могут бытьиспользованы для закрытия дефекта поврежденной трахеи. Однако остается открытымвопрос контроля остаточных механических напряжений, которые могут непредсказуемоменять форму имплантата после его изготовления.Лазерное изменение формы хряща основано на снятии механических напряженийв матриксе хрящевой ткани [1,10]. Механизм данного процесса является сложным и доконца не изученным.
Проведенные исследования показывают, что при нагреве ткани дотемпературы ≈70⁰С происходит несколько процессов: (1) локальный переход частисвязанной протеогликановыми молекулами воды в свободное состояние, (2) локальнаядеполимеризация протеогликановых агрегатов без наблюдаемой денатурации коллагена,(3) локальная минерализация хрящевого матрикса, вызванная, предположительно,нейтрализацией отрицательно заряженных групп протеогликанов и их фрагментовионаминатрияикальция,(4)локальныйразрывмежмолекулярныхсвязейпротеогликанов и коллагена, приводящий к снижению внутренних напряжений за счетизменения пространственной организации матрикса. Протекание процесса (1) былоизучено методом Фурье ИК спектроскопии [35].
Спектральная линия первого обертона (5 300 см-1) связанной воды в хрящевой ткани отличается от линий свободной воды вхряще и контроля воды вне хрящевого образца. В работе варьировались время и18температура нагрева в процессе регистрации ИК спектров для определения содержаниясвязанной воды. Было показано, что процесс десорбции воды в хряще, высушенном притемпературе менее 65⁰С, является полностью обратимым и необратимым для болеевысоких температур.
Хрящ, высушенный при 67⁰С в течение 24 ч, а затем помещенныйв воду, сорбировал воду вплоть до 87% от исходной массы, что свидетельствует онеобратимых потерях до 13% первоначального содержания воды. При анализе данныхкалориметрических измерений было рассчитано количество связанной воды в 4% отобщего содержания воды в хряще [1]. Сделано предположение, что наблюдаемыйпереход при 70⁰С, теплота которого составила 1.5 ± 0.3 кДж/г, соответствует переходусвязанной воды в свободное состояние.Процессы (2) и (4) подтверждаются рядом проведенных исследований. Так, прианализе методами хроматографии и мультиуглового рассеяния (SEC/MALLS) жидкости,в среде которой проводилось лазерное облучение хряща в неразрушающем режиме,была зафиксирована возросшая в несколько раз концентрация молекул хондроитинсульфата по сравнению с необлученным контролем [36]. При возрастании температурылазерного нагрева молекулярная масса экстрагируемого в жидкость хондроитинсульфата уменьшалась.
Таким образом, в хрящевой ткани происходит лазерноиндуцированная деполимеризация протеогликанов и разрыв межмолекулярных связей,что ускоряет диффузию хондроитин сульфата, а следовательно, и перераспределениезаряженных групп внутри хряща. При исследовании хряща, облученного в режимекоррекции формы, методом атомно-силовой микроскопии в зоне облучения выявляютсяболее глубокие (100 – 400 нм) субмикроканалы структуры по сравнению с интактнойтканью, что также свидетельствует об увеличении свободного объема после лазерноговоздействия [37]. В данной работе в облученной хрящевой ткани были обнаруженыкристаллические структуры размером 100 – 800 нм. Дифракционный анализ показал,что кристаллы в основном представлены карбонатом натрия. В более позднихисследованиях in vivo было показано, что кристаллообразование под действиемлазерного излучения является обратимым процессом.
В хрящевой ткани животныхспустя месяц после облучения были обнаружены кристаллы карбоната натрия размеромне более нескольких нанометров, что свидетельствует об их постепенном растворении[1].19Так как упругость хряща имеет электростатическую природу, предпринимаютсяпопытки провести релаксацию напряжений посредством приложения разностипотенциалов [38]. В данной работе к изогнутым хрящевым образцам прикладывалиалюминиевые электроды и варьировали напряжение от 0 до 5,5 В, а также время от 0 до5 мин, отслеживая результат изменения формы.
Наблюдаемое повышение температурыхряща составило 2⁰С, зарегистрированный ток в системе не превышал 0,1А. Такойнебольшой перепад температуры авторы связывают с тем, что энергия расходуется напроцессы массопереноса и химические превращения. Для напряжений более 1 Внаблюдался стабильный эффект изменения формы. Авторы связывают механизмданного явления с электролизом тканевой воды, ускоряющим процесс перехода«связанной» воды в свободное состояние, а также с электрофоретическим переносомзаряженных групп протеогликанов из сжатых областей ткани, где их концентрациявыше, в растянутые. Недостатками данного метода являются сложность процедуры,требующей соответствие электродной установки конкретной геометрии образца, ибольшой процент гибели хондроцитов в области воздействия электродов [39].Другими альтернативными методами изменения формы хрящевой ткани являютсяферментативная обработка [40] и воздействие радиочастотами [41]. Данные методы внастоящее время не позволяют проводить эффективную релаксацию напряжений безгибели большого процента хондроцитов.1.2.2.
Выбор параметров воздействияПри выборе параметров лазерного воздействия для модификации структурыхрящевойтканируководствуютсяследующимикритериями:(1)онидолжныобеспечивать достижение стабильного полезного эффекта, в частности, стабильнойконечной кривизны хряща для придания ему новой формы при (2) отсутствии сильныхповреждений структуры, вызванных тепловым и механическим воздействием лазера,таких как гибель большого процента клеток и деструкция матрикса. Как правило,избежать локальных повреждений структуры не удается, поэтому при выборепараметров воздействия стараются минимизировать возможные повреждения. Так,использование лазера позволяет осуществлять направленную доставку тепла внебольшой объем хрящевой ткани и локализовать воздействие, оставив соседниеобласти ткани интактными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
