PhD, Doctor of Science in Biology, Professor, Head of Scientific and Educational-methodic Centre of Biomedical Technologies
д-р биол. наук, профессор, руководитель Научно- исследовательского и учебно-методического центра биомедицинских технологий
PhD in Physics, Doctor of Science in Biology, Head of Laboratory, Scientific and Educational-methodic Centre of Biomedical Technologies1 ; Leading Research Fellow, Scientific Centre of Hydro-physics Researches, Professor of the Department of Accelerators Physics and Radiation Medicine, Faculty of Physics2
канд. физ.-мат. наук, д-р биол. наук, зав. лабораторией Научно- исследовательского и учебно-методического центра биомедицинских технологий1 , вед. науч. сотр. научного центра гидрофизических исследований физического факультета, профессор кафедры физики ускорителей и радиационной медицины физического факультета2
Deputy Head of Scientific and Educational-methodic Centre of Biomedical Technologies
заместитель руководителя Научно- исследовательского и учебно-методического центра биомедицинских технологий
Background and aim: The volume of reconstructive surgery in traumatology in recent decades has increased significantly due to an increase in traumas, numbers of affected in local military conflicts, and environmental deterioration. This has led to an increase in demand for plastic materials, and the need to create modern high technologies to meet this need, including alternative sources of bone implants. Any solution to this problem would involve an in-depth study of bone biophysical properties with innovative techniques to develop requirements to elaboration of new effective implants based on natural bone, as well as on natural or synthetic analogues. This study aimed exactly at these aspects. Materials and methods: We studied human bone samples taken from various parts of the skeleton aged from 3 to 89 years and animal (bovine) bone samples aged from 1.5 to 2 years. Biophysical characteristics of the studied materials were assessed at the stage of sample preparation with original author's methods of physical and mechanical processing, in the process of analysis of patterns of normal changes in the bone structure and function, as well as during changes in its composition with age, anisotropy of the material and the level of structural organization. Structure patterns were studied by classical (light, scanning electron microscopy) and advanced (acoustic microscopy) techniques. Methods of engineering biomechanics were used to assess functional changes in macro and micro volumes of bone samples. Results: The main study results involve the development of innovative methods of sample preparation and structural and functional analysis. First of all, these are the methods of mechanical processing of bone fragments based on the use of hollow cylindrical milling cutters in the environment of limited amounts of mineralized biological tissues, as well as on the application of hydrodynamic cutting ensuring a delicate and highly efficient bone cut. Another distinctive feature of the study is the elaborated methodology for morphological and mechanical analysis of bone samples at the macro and micro levels, with consideration of real physical and chemical condition of samples. To ensure sample sterility, the authors proposed innovative techniques using of ozone-oxygen mixtures. The study results gave a complex of quantitative characteristics describing age-related compositional changes of the human bone, anisotropy of its physical and mechanical characteristics, osteon parameters and physical and mechanical characteristics of bone tissue depending on its composition. Conclusion: The use of the proposed methodology allowed for obtaining of new data on biophysical properties of bone tissue that are of interest for bioimplantology, biomaterial science and expands basic information on the bone as a natural biocomposite. They can be the basis for development of practical guidelines on optimization of the choice of bone fragments for manufacture of implants based on the detected patterns of changes in macro- and microstructure, physical and mechanical characteristics and bone composition in the studied age range.
Актуальность. В последние десятилетия объем реконструктивно-восстановительных операций в травматологии значительно вырос ввиду повышения случаев травматизма, числа пострадавших в локальных военных конфликтах, ухудшения экологии. Это привело к увеличению потребности в пластическом материале и необходимости создания современных наукоемких технологий, позволяющих удовлетворить спрос на пластический материал, включая альтернативные источники получения костных имплантатов. Решение этой проблемы предусматривает углубленное изучение биофизических свойств костной ткани с использованием инновационных методов для разработки требований к созданию новых эффективных имплантатов на основе как натуральной кости, так и искусственных и природных аналогов. Указанные аспекты стали целью настоящего исследования, результаты которого представляют интерес для медико-биологических и клинических приложений. Материалом исследования послужили фрагменты костей различной локализации человека в возрастном диапазоне от 3 до 89 лет и животных (бык) в возрасте от 1,5 до 2 лет. Биофизические особенности исследованного материала изучены на стадиях пробоподготовки с использованием оригинальных авторских методов физико-механической обработки, при анализе закономерностей изменения структурно-функционального состояния костного вещества в норме, при изменении его композитности с учетом возрастного фактора, анизотропии материала и уровня структурной организации. Изучение закономерностей структуры выполнено с применением классических (световая, сканирующая электронная микроскопия) и современных (акустическая микроскопия) методов. Для оценки функциональных изменений в макро- и микрообъемах костных образцов использованы методы инженерной биомеханики. К основным результатам исследований следует отнести разработку инновационных методов пробоподготовки и структурно-функционального анализа. В первую очередь – методы механической обработки костных фрагментов, основанные на использовании в условиях ограниченного количества минерализованных биотканей дисковых и полых цилиндрических фрез, а также на применении гидродинамической инцизии, обеспечивающей щадящий режим высокоэффективного режущего воздействия на костную ткань. Другой отличительной особенностью исследования является разработанная методология морфо-механического анализа костных образцов на макро- и микроуровне с учетом реального физико-химического состояния образцов. С целью обеспечения стерильности образцов авторами предложены инновационные методы с использованием озоно-кислородных смесей. В результате исследований получены комплексные количественные характеристики, отражающие возрастные изменения композиционного состава костной ткани человека, анизотропию ее физико-механических характеристик, параметров остеонов, физико-механических показателей костной ткани с учетом композиционного состава. Заключение. Применение предложен- ной методологии позволило получить новые сведения о биофизических свойствах костной ткани, представляющие интерес для биоим-плантологии, биоматериаловедения и расширяющие фундаментальные представления о костной ткани как природном биокомпозите. Они служат базой для выработки практических рекомендаций по оптимизации выбора костных фрагментов для изготовления имплантатов с учетом выявленных закономерностей изменения макро- и микроструктуры, физико-механических характеристик и состава костной ткани в исследованном возрастном диапазоне.