Остеосинтез. Руководство для врачей (Ткаченко С.С.) - часть 61

Г Л А В А

19

ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ ОСТЕОРЕПАРАЦИИ

ПРИ ОСТЕОСИНТЕЗЕ

Актуальность рассмотрения во-

просов электростимуляции остеорепа-

рации обусловлена возможностью

повышения эффективности совре-

менных способов остеосинтеза путем

использования достижений биомеха-

ники и электрофизиологии костной

ткани.

Единственное неизменное свой-

ство материи — движение, устой-

чивый способ ее существования. Вся-

кое движение живой материи — физи-

ческое, химическое или биологиче-

ское — связано с электрическими про-

цессами на различных уровнях. Лю-

бое изменение в организме, органе,

ткани, клетке или ее ультраструкту-

рах индуцируется, контролируется

или управляется, в конечном итоге,

градиентами электрических полей

и переносом электрических зарядов.

Одна из важнейших функций ске-

лета — механическая. Дифференци-

ровка костной ткани и формирование

опорно-двигательного аппарата не-

возможны без механических нагру-

зок. Общебиологический закон струк-

турно-функциональной адаптации

особенно ярко проявляется в жизне-

деятельности костной ткани. Приме-

рами тому служат остеопороз при ги-

покинезии, постиммобилизационные

атрофии, нагрузочные гипертрофии

и т. д.

Компрессия при механических на-

грузках на кость вызывает ее дефор-

мацию. При физиологических нагруз-

ках до 50 Н/мм

2

 деформация больше-

берцовой кости достигает 0,2 % от

начального объема и за период опор-

ного времени при ходьбе сопрово-

ждается обменом до 0,12 мл крови

[Янсон X. А., 1975]. При этом не

только деформируются анизотропные

структуры костной ткани, обладаю-

щие пьезоэлектрическими свойства-

ми, но и перемещаются биологиче-

ские жидкости, являющиеся поли-

электролитами. Обмен веществ и энер-

гии в костной ткани осуществляется

посредством ионов неорганических

электролитов или органических ве-

ществ. Перераспределение электриче-

ских зарядов отражается на процес-

сах физиологической регенерации

и обусловливает особенности остео-

репарации при повреждениях. Изуче-

ние взаимосвязи механических факто-

ров и биоэлектрических процессов, их

влияния на репаративную регенера-

цию костной ткани имеет важное зна-

чение.

Существенным вкладом в разви-

тие остеологии явились открытия

в области электрофизиологии кост-

ной ткани. Рассмотрение биофизиче-

ских аспектов создало предпосылки

к разработке и успешному примене-

нию .электростимуляции остеорепара-

ции (ЭСО) при остеосинтезе.

Историческая справка. Стремление трав-

матологов-оргопедов воздействовать на репа-

ративную регенерацию с целью сокращения

сроков сращения кос гей способе i повило воз-

никновению электростимуляции остеорепара-

ции. На путях к решению чтой перспективной

проблемы удивительно сочетались  н а у ч н ы е i и-

потезы теоретиков и  э м п и р и ч е с к и е поиски

клиницистов.

История увлечения электричеством как

лечебным воздействием  н а с ч и т ы в а е т более

двух веков. Но только к концу  X I X столетия

физиологи доказали, чю любые процессы

в живом организме сопровождакчся электри-

ческими явлениями. В 1955 г. С. И. Фудель-

Осипова с  с о т р у д н и к а м и описала «электромо-

торные» свойства кости.

В биомеханике опорно-двигательного ап-

парата развивается концепция структурно-

ф у н к ц и о н а л ь н о й адаптации, сформулирован-
ная в законе Вольфа. Однако попытки объяс-

н и т ь способность кости к структурной пере-

c i р о й к е при нагрузках только с позиций

механики оказались несостоятельными.

Развитию проблемы послужило изучение

электрических свойств кости при ее деформа-
ции. Еще в 1947 i. А. В. Русаков предполагал

н а л и ч и е пьезоэлектричества в кости, что в 50-х

юлах было экспериментально подтверждено

я п о н с к и м и  у ч е н ы м и . При деформации кости

на сжимаемой ее поверхности образуются от-

рицшельные электрические заряды, а на про-
т и в о п о л о ж н о й растя! иваемой — электрополо-

жительные. Это дало основание рассматри-

вать костную ткань как механоэлектрический

преобразователь с максимальной передаточ-

ной функцией  п р и частоте около 1 Гц, близкой

к циклическим механическим нагрузкам на ко-

нечность при ходьбе.

Была проведена параллель между пьезо-

электричеством кости и известной физиологи-

ческой перестройкой (под нагрузкой сдавления

кос тыс  с т р у к т у р ы гипертрофируются, при

рас1яжепии •- рсчорбируются). и выдвинута

гипотеза, ч го биоэлектрические потенциалы

м о 1 \ т яв.'ться связующим звеном, осущест-

в л я ю щ и м  п р я м ) ю и обратную связь между

с т р \ к т \ р о й и функцией.

Второе важное следствие из представ-

ленных фактов — в области отрицательных

электрических зарядов активно формируются

коечные структуры, а у электроположи-

т е л ь н ы х наблюдается их рассасывание. Было

высказано предположение, что электрические

п о т е н ц и а л ы способны активизировать костные

к л е т к и . Это в последующем нашло экспери-

ментальное подтверждение.

Лошчееким продолжением исследований

явились MHOI очислеппые попытки стимулиро-

вать pcienepannKi костной ткани электриче-

ских!  т о к о м . Интенсивные изыскания были на-

правлены па воздействие через обратную

связь. Пели  а к т и в н о с т ь остеогенеза определяет

э л е к ф о о т р и ц а т е д ы ю с т ь зарядов, то, возмож-

но, искусственное создание электроотрица-

тельное ги индуцирует костеобразование.

Использовались самые различные методи-

ки  с т и м у л я ц и и сращения переломов, столь же

различны были и результаты. Высказывались

выводы о выраженности, безразличности и да-

же \i нетающем действии электростимуляции.

Но чем ближе к линии перелома имплантиро-

вали катд. тем более четко прослеживалось

положительное действие электростимуляции

остеорепарации.

Масса случайностей, неоднородность ре-

зультатов и лишь статистически выявляемые

1ендениии активизации остеорепарации при

э л е к т р о с т п м у л я ц и и объяснялись сложностью

биологического объекта и многофакторностью

воздействия. Научные дискуссии ограничива-

лись выяснением, при какой полярности и зна-

чениях силы электрического тока наблюдается

стимуляция регенерации.

Однако по числу положительных резуль-

татов развитие проблемы достигло критиче-

ского уровня, количество экспериментальных

исследований уже должно было перейти в но-

вое качество. В начале 70-х годов XX в. элек-

тростимуляция остеорепарации была исполь-

зована в клинической практике. И через

несколько лет, в результате плодотворной дея-

тельности 17 научных групп в восьми ведущих
странах, коллективный опыт составил более

1000 наблюдений за больными с переломами

и ложными суставами костей. Сотни научных

публикаций свидетельствовали об эффективно-

сти электростимуляции остеорепарации. После
безуспешного длительного лечения пациентов

различными способами использование элек-

тростимуляции обеспечивало излечение в 84%.

Большая заслуга в развитии этого метода

в СССР принадлежит ученым Москвы, Ленин-

града, Риги, Киева. В настоящее время элек-

тростимуляция остеорепарации заслуженно

привлекает внимание ученых и клиницистов.

Электрофизиология костной ткани.

Электростимуляция остеорепарации

основывается на данных электрофи-

зиологии, которая включает пас-

сивные, активные и реактивные свой-

ства тканей. Частные вопросы элек-

трофизиологии костной ткани тре-

буют специального рассмотрения.

Под пассивными электрическими

свойствами понимают удельное со-

противление или электрическую про-

водимость. Костная ткань относится

к гетерогенным или анизотропным

системам и характеризуется поляри-

зационными свойствами. Важным па-

раметром является импеданс — пол-

ное электрическое сопротивление.

Импеданс биологических тканей

определяется активной и реактивной

составляющими, представляющими

омическое и емкостное электрическое

сопротивление. Величина импеданса

в силу ячеистой структуры костной

ткани и наличия поляризационной

емкости зависит от частоты электри-

ческого тока. Эта зависимость — дис-

персия электрической проводимо-

сти — характеризует не только струк-

турные изменения, но и жизнеспособ-

ность кости, уровень обменных про-

цессов в ней.

Значения удельного сопротивле-

ния и поляризационной емкости кост-

ной ткани весьма вариабельны и до-

стигают 3 — 5 МОм/м и 10 — 20

мкФ/см

2

. По вольт-амперным харак-

теристикам эквивалентная электриче-

ская модель костной ткани может

быть представлена параллельно со-

единенными активным и емкостным

элементами, которые последователь-

но соединены с активным сопроти-

влением.

При электростимуляции остеоре-

парации необходимо учитывать сле-

дующее: 1) кость состоит из структур

с различной электропроводностью

и может быть отнесена к полупровод-

никам; 2) электрическое .сопротивле-

ние компактной и губчатой костной

ткани несоизмеримо превышает со-

противление других тканей; 3) кост-

ная ткань обладает высокой степенью

поляризуемости; 4) электрическая

проводимость костной ткани значи-

тельно повышается с увеличением ча-

стоты электрического тока.

Активные электрические свойства

костной ткани (электрогенез) характе-

ризуются ее способностью генериро-

вать электрические потенциалы. Вы-

деляют 2 вида электрогенеза костной

ткани — статический и динамический.

Статический электрогенез — это гене-

рирование статических электрических

потенциалов кости (СЭПК), к ко-

торым относятся потенциалы покоя,

стрессовые, активного роста и регене-

рации. Динамический электрогенез

подразумевает формирование дефор-

мационных динамических электриче-

ских потенциалов кости (ДЭПК) —

пьезоэлектрические потенциалы, по-

тенциалы перемещения среды, пиро-

электрические и др.

По современным представлениям,

образование электрических потенциа-

лов объясняется перераспределением

ионов. За счет активного транспорта

через клеточную мембрану, обладаю-

щую избирательной активностью для

различных анионов и катионов, со-

здается ионная асимметрия и концен-

трационный градиент между цито-

плазмой и наружной поверхностью

плазматической мембраны. Разность

электрических потенциалов между ни-

ми обусловливает наличие статиче-

ских электрических потенциалов ко-

сти.

Статические электрические потен-

циалы характеризуются топическим

распределением и взаимосвязью

с анатомической структурой и соб-

ственными внутренними напряжения-

ми кости. При повреждениях стерео-

метрия потенциалов нарушается, а

в процессе репарации - восстанавли-

вается.

Деформация костной ткани при

механических нагрузках и перемеще-

нии электрических зарядов сопрово-

ждается образованием динамических

электрических потенциалов. Послед-

ние при физиологической регенерации

выполняют функцию: во-первых, они

как пусковой фактор (раздражитель)

управляют активностью костных кле-

ток; во-вторых, динамические потен-

циалы кости играют роль генератора

электрической энергии для поддержа-

ния статического электрогенеза на не-

обходимом уровне.

Если отломки кости обездвижены,

конечность иммобилизована и исклю-

чена нагрузка на нее, то нарушается

и физиологический, и репаративный

электрогенез со всеми вытекающими

отсюда последствиями. Нарушения

статического и динамического репа-

ративного электро! енеза искажают'

остеорепарацию.

Реакции костной ткани на элек-

тростимуляцию проявляются в сле-

дующем. Под действием электриче-

ского тока происходит поверхностная

поляризация у электродов, увеличи-

вается импеданс и соответственно

снижается сила протекающего тока,

которая замедляется с возрастанием

емкостной поляризации и достигает

относительно установившегося уров-

ня.

Включаются механизмы электро-

фореза и электроосмоса, происходит

перемещение зарядов в электриче-

ском поле (рис. 115). У катода про-

порционально количеству электриче-

ского тока повышается РН и накап-

ливаются ионы Са

+

 ", электрохими-

ческие реакции и алкалоз обусловли-

Рис. 115. Схематическое изображение зависимости рН, Са

 + +

 и рентгенологической

плотности нативных костных образцов (Д) у анода и катода от количества электричества.

вают повышение активности фермен-

тов с оптимумом действия в слабо-

щелочной среде. Повышение активно-

сти щелочной фосфомоноэстеразы

и содержания ШИК-позитивных

структур сочетается с увеличением

РНК и АТФ. Коллагеновые фи-

бриллы ориентируются соответствен-

но силовым линиям электрического

поля, что сопровождается дифферен-

цировкой молодых остеогенных кле-

ток, активацией формирования кост-

ного матрикса и его минерализацией.

Ацидоз у анода вызывает развитие

фибриноидно-коагуляционного некро-

за и асептического воспаления с обра-

зованием грануляционной ткани во-

круг некротических масс.

Экспериментально доказано, что

воздействие электрического тока си-

лой до 25 мкА может активизировать

остеорепарацию в зависимости от

экспозиции и стадии регенерации.

Стимулирующее действие обусловле-

но катодной поляризацией и раздра-

жением биологических структур, чув-

ствительных к электрическим импуль-

сам. По физиологичности и широте

терапевтического воздействия им-

пульсная электростимуляция имеет

преимущества.

Эффективность электростимуля-

ции остеорепарации определяется сте-

пенью коррекции нарушений статиче-

ского и динамического электрогенеза.

Импульсная катодная поляризация

индуцирует и активизирует ранние

стадии остеогенеза; восстановление

распределения статических электриче-

ских потенциалов кости определяет

перестройку костной мозоли в опти-

мальные сроки.

Электростимуляция создает бла-

гоприятные условия для консолида-

ции отломков костей при переломах,

оптимизируя остеорепарацию при