Протетическая реконструкция ушной раковины с использованием технологии трехмерной печати

В работе использовали конусно-лучевой компьютерный томограф Kavo
OP 3D Vision (Kavo, Германия) и мультиспиральный компьютерный
томограф Philips IQon Spectral CT (Philips, Нидерланды). Объемные
изображения естественной ушной раковины, полученные при проведении
МСКТ и КЛКТ, преобразовывали в виртуальные модели в программе
Meshmixer (Autodesk, США) и сопоставляли качество изображений.
Полимерные кюветы создавали методом аддитивной печати
посредством 3D-принтера Photon (Shenzhen Anycubic Technology Co., Ltd,
КНР). Используя конструкционный полимерный материал Dental Cast
(Harzlabs, Россия) печатали прототипы ушной раковины, которые визуально
оценивали, обращая внимание на целостность края и точное повторение
анатомических элементов. Метрические замеры осуществляли с помощью
стоматологического микрометра и цифрового штангенциркуля.
Физико-механические исследования единственного разрешенного к
применению в РФ силикона Technovent (Technovent, Соединенное
Королевство) проводили в соответствии со стандартами (ГОСТ Р ИСО
10139 2-2012, ГОСТ Р ИСО 14949-2014 и ГОСТ 263-75). Инфракрасную
спектроскопию осуществляли на приборе Thermo Scientific Nicolet iS5
(Thermo Scientific, США) с приставкой для исследования образцов в режиме
нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) iD5 ATR.
Спектральный диапазон от 350 до 7800см-1, разрешение лучше, чем
0,8 см-1. Образцы для испытаний представляли из себя пластины толщиной
0,5 мм размером 10×10 мм.
Руководствуясь национальным стандартом РФ ГОСТ Р ИСО 10139 2-
2012 (Материалы для эластичных подкладок к съемным зубным протезам),
изучали водопоглощение и водорастворимость, – склонность материала к
набуханию в воде и возможность вымывания из него низкомолекулярных
компонентов (остаточный мономер, пластификатор и т.п.). В рамках
ГОСТРИСО101392-2012 и ГОСТРИСО14949-2014 (Имплантаты для
хирургии. Эластомеры силиконовые двухкомпонентные, полученные при
отверждении в результате реакции присоединения) изучали механические
свойства силикона. Изменения твердости регистрировали широко
распространенным в РФ методом по Шору (ГОСТ 263-75 Резина. Метод
определения твердости по Шору А), испытания по определению твердости
проводили на твердомере резины NOVOTEST ТШ-А (Новотест, Россия).
Измерения осуществляли в 3 точках образца, отстоящих друг от друга не
менее, чем на 5 мм и не менее, чем на 13 мм от края образца, при
температуре 25±20°С. Результаты обрабатывали в соответствии с
рекомендациями ГОСТ 263-75. Механические свойства образцов силикона
Technovent при одноосном растяжении исследовали на универсальной
испытательной машине Instron 5965 Series (Illinois Tool Works Inc, США),
укомплектованной датчиком нагрузки ±5000 Н и климатической камерой
серии 3119. Физико-химические характеристики силикона на старение
изучали по стандарту ASTM F1980. Как наиболее вероятная средняя
температура эксплуатации была выбрана 25°С, температура
форсированного старения – 60°С, так как при ней физико-химические
свойства силикона кардинально не меняются. После термостатирования
материалы кондиционировали при комнатной температуре не менее 12 ч.
Испытания проводили в условиях, описанных в ГОСТ 263-75. Показатели
твердости определяли по шкале измерителя. Коэффициент линейного
термического расширения образцов изучали с помощью прибора TA
Instruments Q400 (TA Instruments, США).
Адгезивную способность медицинских клеев на силиконовой и водной
основах, предназначенных для фиксации силиконовых эпитезов ушной
раковины определяли в эксперименте на раздир. Клей на водной основе
Technovent Bond Adhesive G609 (Technovent, Великобритания) и
силиконовый клей Technovent Secure Silicone Adhesive B-460 (Technovent,
Великобритания) – предназначены для эпитезов лица. Для достижения
поставленной цели были изготовлены по 6 испытательных образцов
размерами 80×20×5мм из силиконового материала и свиной кожи.
Прочности клеевых соединений при расслаивании изучали на
универсальной испытательной машине Instron 5965, укомплектованной
датчиком нагрузки ±50 Н. Исследовали клеевые соединения с нативной
свиной кожей, взятой с нижней части брюха животного. Кожу брили и из
нее делали опытные образцы, которые испытывали в течение суток после
изготовления. Аппаратурное оформление и порядок исследований, а также
визуальное определение особенностей разрушений регламентированы
ГОСТ 28966.1-91. Все исследования проводились совместно с научным
сотрудником НИЦ «Курчатовский институт» С.В. Крашенинниковым.
На кафедре микробиологии, вирусологии, иммунологии ФГБОУ ВО
МГМСУ им. А.И. Евдокимова (зав. кафедрой профессор В.Н. Царёв)
определяли количественный и качественный состав микробиоты кожных
покровов у пациентов с силиконовыми эпитезами ушной раковины в
условии клеевой фиксации и ее влияние на физико-механические
характеристики силикона Technovent. На начальном этапе отрабатывалась
методика смывов для бактериологического анализа с образцов силикона,
фиксированного на вышеупомянутые клеи, и с кожных покровов после
ношения образцов, которые представляли собой силиконовые
прокрашенные диски диаметром 2 см и толщиной 0,5 мм. На одном из них
в центральной части формировали полусферу, имитирующую сложную
геометрию (конфигурацию) эпитеза для выявления возможной анаэробной
микрофлоры. Образцы фиксировали на кожу за ухом пациентов на 7 суток
на силиконовый клей B-460 и клей G609 на водной основе в соответствии с
рекомендациями производителя Technovent. Забор биологического
материала для выявления санитарно-значимых микроорганизмов
проводили в соответствии с МУК 4.2.2942-11 для микробиоты челюстно-
лицевой области, головы и шеи по методикам, изложенным в руководствах
[Давыдова М.М. и др., 2013; Царёв В.Н., 2019].
Учитывая роль микроорганизмов в развитии осложнений инфекционно-
воспалительной природы после лицевого протезирования, с целью оценки
адгезии представителей микробиоты кожных покровов заушной области к
конструкционным силиконам и клеевой основе мы использовали in vitro
чистые тест-штаммы следующих видов, выделенных по результатам
предыдущего эксперимента: стафилококки (S. aureus, S. epidermidis),
коринебактерии (C.xerosus), нейссерии (N.subflava), пропионибактерии
(P. acnes), синегнойную палочку (P. aeruginosa), дрожжевые грибы
(C.albicans), а также референс-штаммы S.aureus ATCC® 2592, E.coli
ATCC® 29194, C. albicans ATCC® 60193. Для экспериментов использовали
стандартную методику определения остаточной адгезии [Давыдова М.М.
идр., 2013] в нашей модификации. Образцы силикона обоих
экспериментальных серий помещали в 10мл взвеси тест-культуры
микроорганизма концентрации 107 CFU/ml изотонического раствора
хлорида натрия и инкубировали 40мин при температуре 37°С. Для
обеспечения жизнеспособности облигатно-анаэробных видов инкубацию
осуществляли в анаэростате также при температуре 37°С в течение 40 мин.
Для клинической апробации временного силиконового эпитеза ушной
раковины на период остеоинтеграции экстраоральных имплантатов нами
был выбран рандомизированный контролируемый дизайн клинического
испытания, протокол которого в части информированного добровольного
согласия пациента на участие в исследовании одобрен межвузовским
комитетом по этике при ФГБОУ ВО МГМСУ им. А.И. Евдокимова
Минздрава РФ, протокол No01-19 от 31.01.2019. Формирование групп
исследования осуществляли в соответствии с критериями включения, не
включения и исключения. Принятые на протетическое лечение пациенты
были с диагнозом МКБ 10 – Q16.1 (врожденное отсутствие, атрезия и
стриктура наружного слухового прохода) и установленными
экстраоральными имплантатами для последующей балочно-магнитной
системы фиксации завершающих эпитезов ушной раковины. Распределение
пациентов на 2 группы было организовано с присвоением индивидуальных
номеров при их рандомизации (www.random.org). Общий размер выборки
составил 46 человек (30 мужчин и 16 женщин, в возрасте от 21 до 40 лет),
по 23 в каждой группе. В основной группе пациентам проводили фиксацию
временного эпитеза ушной раковины, изготовленного по предложенной
технологии на период остеоинтеграции экстраоральных имплантатов, в
контрольной группе эпитезы не устанавливали.
КЖ пациентов определяли посредством автоматизированного
русскоязычного краткого опросника ВОЗ «WHOQOL-BREF» и
разработанного нами специализированного опросника «QL PAER».
Анкетирование проводили на четырех этапах периода наблюдения: до
установки экстраоральных имплантатов, спустя 1 и 3 месяца после, а также
спустя месяц после установки окончательного эктопротеза.
Для уменьшения объема рутинных операций при сборе и обработке
информации применяли пакет созданных и зарегистрированных в ФГБУ
Федеральный институт промышленной собственности статистических
мини-программ для мобильных устройств, работающих под управлением
ОС Андроид.
По результатам анкетирования были определены значения 4-х
показателей качества жизни: физическое здоровье, психофизиологическое
здоровье, социальные взаимоотношения и окружающая среда, а также
общий показатель КЖ, значения которых пересчитывали по следующей
формуле: ПР = (З0 – Зmin) / Рmax × 100%, где ПР – пересчитанное значение; З0
– исходное значение; Зmin – минимально возможное значение; Рmax –
максимально возможный размах. Считали, что качество жизни пациента
является низким, если значения индекса ПР было 30% и менее, сниженным
– от 31 до 60% и в норме – свыше 61%.
РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В результате метрических измерений естественных ушных раковин и их
прототипов методом трехмерной печати по объемным изображениям КЛКТ
и МСКТ было отдано предпочтение МСКТ как наиболее точному и
информативному поскольку на изображениях КЛКТ присутствовали
артефакты, поверхность имела прерывистую триангуляционную сетку, а у
МСКТ такие недостатки отсутствовали. Поэтому при разработке кювет
использовали цифровые данные МСКТ.
Усовершенствование техники изготовления эпитеза ушной раковины мы
видели в создании полимерной кюветы для вулканизации силикона,
напечатанной трехмерным принтером. В поиске оптимальной конструкции
кюветы были созданы 3 прототипа, наиболее эффективным из которых
явилась кювета «скорлупка». Эволюция идеи отражена в патентах РФ на
изобретения No 2701749 и No 2699291, где кюветы, состоящие вначале из
двух, а потом из шести фрагментов, собирались по типу Lego (Рис. 1 а).
Однако после вулканизации силикона поверхность эпитеза требовала
больших усилий по удалению заусениц и наплывов в области сопряжения
фрагментов кюветы.В связи с этим была разработана принципиально
новая тонкостенная конструкция – кювета «скорлупка»
(патент на изобретение РФ No 2749042) (Рис. 1 б, в).
Инфракрасная спектроскопия подтвердила, что силикон Technovent
относится к типичным полисилоксанам. Эксперимент по водопоглощению
и водорастворимости этого материала, проведенный в соответствии с ГОСТ
Р ИСО 10139-2-2012 показал, что значения первого лучше
предусмотренного стандартом почти в 8 раз, а второго – почти в 3 раза.
Такой результат говорит о том, что конверсия мономера (олигомера) близка
к 100% и в конечном изделии практически отсутствуют минеральные или
органические (красители) добавки, не связанные физически или химически
с полимерной матрицей и теоретически способные мигрировать на кожу,
вызывая какую-либо реакцию организма.
абв
Рис. 1. Кюветы для вулканизации силикона ушной раковины: а –
кювета, собираемая по типу Lego; б – напечатанные кюветы «скорлупки»; в – разрушение «скорлупки» после вулканизации силикона эпитеза ушной раковины
Результаты изучения физико-механических свойств силикона
Испытания на растяжение при воздействии низких температур
подтвердили, что все механические показатели силикона Technovent при
увеличении температуры от минус 20 до плюс 45°C равномерно снижаются,
среднее значение модуля Юнга (E) составило 0,53 МПа, а предел прочности
(σмакс) 6,54 МПа. При этих значениях температуры вычисленные показатели
прочности и деформации разрушения уменьшаются более чем в 2 раза, в то
время как предельный модуль упругости – не более, чем на 30%. По
упругим свойствам силикон Technovent оказался почти на 38% эластичнее,
чем хрящевая ткань ушной раковины человека, прочнее почти в 3 раза, а его
максимальная деформация (εр) до разрушения составила 1480,61%, что
позволяет рекомендовать данный силикон для эпитезов ушной раковины.
Таким образом, установлено, что механические показатели материала
являются достаточно высокими для эксплуатации и близкими таковым у
хрящевых тканей ушной раковины [Nayyer L. et al., 2014; Griffin M.F. et al.,
2016].
Изучение старения силикона проводилось в соответствии со стандартом
ASTM F1980. В процессе состаривания его твердость возрастала всего на
одну треть от исходного значения, причем основной рост происходил в
течение 1-го месяца. Такое изменение следует признать несущественным и
не влияющим на эксплуатацию изделий из этого силиконового материала.
Прочность клеевого соединения исследовали на свежей свиной коже в
соответствии с ГОСТ 28966.1-91. В результате механических испытаний
установлено, что клеевые швы при использовании силиконового адгезива
В-460 в 4 раза прочнее, чем G609 на водной основе. При любом клее
разрушение при расслаивании было когезионным и происходило по
клеевому шву, при этом необходимо отметить, что у G609 сцепление может
при эксплуатации привести к отделению эпитеза. Поэтому при отсутствии
индивидуальной непереносимости компонентов более рациональным
является использование адгезива В-460.
Результаты микробиологических исследований
По данным экспериментов установлено увеличение адгезивной
способности резидентных микроорганизмов к силикону Technovent при
использовании клея В-460, который резко повышает адгезию большинства
тест-штаммов, что является отрицательным моментом. В то же время
водорастворимый клей G609 не оказывал подобного отрицательного
действия. Принципиальное значение, на наш взгляд, имеет более высокая
адгезивная активность, выявленная нами у грам-отрицательных бактерий и
дрожжевых грибов, которые можно рассматривать как вероятные
приоритетные патогены, вызывающие развития воспалительных процессов
при использовании силиконового конструкционного материала.
При микробиологическом исследовании смывов с кожных покровов в
зоне расположения эпитезов ушной раковины, подтверждено наличие
данных видов микроорганизмов как до, так и в процессе использования
эпитезов в течение 7 дней. Основная часть микробного консорциума была
представлена грам-положительными стафилококками. Наиболее
показательные и статистически достоверные результаты получены для
Staphylococcus hominis. Количественный показатель микробного числа
этого штамма на гладком образце материала Technovent с силиконовым и
водорастворимым клеями составил 6,0±0,4 lg CFU/ml, а при наличии
выступа он был достоверно ниже – 4,0±0,4 lg CFU/ml (p < 0,05). В случаях применения водорастворимого клея микробное число Candida albicans было в 2 раза ниже, чем при использовании силиконового клея (p < 0,05). При оценке микробной колонизации очевидна важность особенностей конструкции эпитеза ушной раковины. Так, при наличии выступа (поднутрения) на моделях эпитеза наблюдалось статистически достоверное доминирование анаэробной микробиоты, представленной Propionibacterium acnes. Важно, что у пациентов не было выявлено персистенции на коже представителей приоритетных грамотрицательных патогенов: синегнойной и кишечной палочек. Результаты клинических исследований В клинике 23 пациентам основной группы по разработанной технологии цифрового моделирования по STL файлам МСКТ виртуальных моделей (Рис. 2 а) и аддитивной печати полимерных прототипов ушной раковины, а также тонкостенных кювет для вулканизации силикона были изготовлены эпитезы ушной раковины (Рис. 2 б). аб Рис. 2. Этапы создания временного эпитеза ушной раковины: а – позиционирование виртуального аналога отсутствующей ушной раковины; б – разрушение тонкостенной кюветы и извлечение временного эпитеза ушной раковины Пациентам основной группы изготавливали временный силиконовый эпитез ушной раковины по разработанной нами технологии (рис. 3 а, б). Никто из пациентов не предъявлял жалоб в период пользования эпитезами ушной раковины временного назначения, гигиенические мероприятия не изменили первоначальные физико-механические и эстетические характеристики силикона. Пациенты контрольной группы не получали временного эпитеза. Микробиологические данные качественного и количественного состава микробиоты кожных покровов заушной области, а также адгезивной способности бактерий и грибов при использовании силиконового и водорастворимого клеев позволили осуществить их сбалансированный выбор исходя из особенностей клинической картины для обеспечения надежной фиксации эпитезов ушной раковины. аб Рис. 3. Пациент К.: а – до протетической реконструкции ушной раковины с установленными экстраоральными имплантатами; б – с временным силиконовым эпитезом ушной раковины На основании статистического анализа данных опросников «WHOQOL- BREF» и «QLPAER» до и после протезирования установлено, что интегральный индекс качества жизни (ИКЖ) достоверно увеличился после протезирования (p<0,05). В основной группе по данным «WHOQOL- BREF», стандартное отклонение ИКЖ составило 5,97, коэффициент вариации 10,14% до протезирования, 9,97 и 13,66% после, а по опроснику «QL PAER» – стандартное отклонение 5,65 и коэффициент вариации 13,17% до протезирования, соответственно сообразно 5,69 и 9,12% после. По данным всех доменов опросников «WHOQOL-BREF» и «QLPAER» достоверно был установлен более высокий интегральный показатель ИКЖ (p < 0,05) после протезирования пациентов в основной группе, тем самым отклонена нулевая гипотеза об отсутствии различий ИКЖ пациентов в основной и контрольной группах. Анализ КЖ с применением показателей доказательной медицины выявил наличие терапевтического эффекта в случае применения временного силиконового эпитеза ушной раковины (p < 0,05): абсолютный риск составил AR1 0,14 (0; 0,4); AR2 0,9 (0,42; 0,98); изменение абсолютного риска ARR – 0,56; относительный риск – RR 4,9; изменение относительного риска – RRR 3,9; отношение шансов благоприятного исхода в основной и контрольной группах равнялось OR 14,29; показатель NNT – 2,0. Также в обеих группах разработанный нами специализированный опросник «QL PAER» оказался более чувствительным при определении индекса КЖ пациентов с временной ушной раковиной, чем «WHOQOL-BREF» на 25,65%. Автоматизированные инструменты (мини- программы) «WHOQOL-BREF» и «QLPAER» на платформе Android, содержащих электронную версию соответствующих опросников позволяют сократить рутинные расчеты, дифференцировать и оценить вклад по всем доменам и при вводе данных незамедлительно определить ИКЖ пациентов до и после протетической реконструкции ушной раковины. ВЫВОДЫ Научно обоснована и разработана технология цифрового моделирования ушной раковины по трехмерным виртуальным файлам мультиспиральной компьютерной томографии (*.STL) и производства силиконового эпитеза с использованием CAD-системы моделирования и аддитивной печати индивидуализированных полимерных кювет, а также предложена техника вулканизации в них силикона (патенты РФ на изобретения NoNo: 2699291, 2701749 и 2749042). Экспериментальными испытаниями установлены механические свойства силикона (модуль упругости (E) – 0,53 МПа, предел прочности (σмакс) – 6,54 МПа, деформация разрушения (εр) – 1480,61%,), которые 1. 2. являются достаточно высокими для эксплуатации и близкими по величине таковым у хрящевых тканей ушной раковины. Прочность клеевого соединения образцов силикона к образцам кожи в эксперименте на разрыв продемонстрировало преимущество в 3,7 раза силиконового клея над клеем на водной основе. Микробиота кожных покровов в области фиксации эпитеза ушной раковины (до фиксации) представлена преимущественно аэробными и факультативно-анаэробными видами. Представители рода Staphylococcus составляли 35% при уровне обсемененности от 3,0 до 4,1 lg CFU/ml. Наиболее высокая колонизационная активность отмечена у S. epidermidis – 4,1 lg CFU/ml. С частотой 15% выделены представители Corynebacterium xerosus в количестве 2,7±0,06 lg CFU/ml и облигатно-анаэробные Propionibacterium acnes в значительно большем количестве 4,3±0,05 lg CFU/ml (p < 0,05). Дрожжевые грибы Candida albicans выявлены в 10% случаев в относительно небольшом количестве 2,0±0,03 lg CFU/ml. Единичные находки составили грам-отрицательные микроорганизмы – синегнойная палочка, нейссерии, а также мицелиальные (плесневые) грибы рода Aspergillus, что свидетельствует об относительно низком уровне представительства приоритетных патогенов среди микробиоты в данной области. В клинико-лабораторных исследованиях с имитационной моделью протеза достоверное увеличение колонизационной способности тест- штаммов микроорганизмов отмечается при использовании силиконового клея, особенно у грибов Candida albicans (в 2 раза больше, чем водорастворимого; p < 0,05). При оценке особенностей конструкции статистически достоверные результаты получены для некоторых видов бактерий. Так, количественный показатель микробного числа штамма Staphylococcus hominis на гладкой модели силиконового материала составлял 6,0±0,4 lg CFU/ml, а при наличии сферического выступа был достоверно ниже – 4,0±0,4 lg CFU/ml (p < 0,05), в то время как для анаэробного вида Propionibacterium acnes наоборот, при наличии выступа – был выше. 3. 4. 5. 6. Качество жизни пациентов основной группы, которым на время остеоинтеграции экстраоральных имплантатов фиксировали силиконовые эпитезы ушной раковины временного назначения, достоверно выше во всех доменах (физическое здоровье на 13%, психофизиологическое здоровье на 22%, социальные отношения и окружающая среда по 10%) (p < 0,05), что обосновывает их использование у пациентов с временными силиконовыми эпитезами ушной раковины на этапе остеоинтеграции экстраоральных имплантатов. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 1. – получение мультиспиральной компьютерной томограммы головы; – вырезание в соответствующей программе объемного изображения естественной сохраненной ушной раковины; – преобразование в STL-файл ее виртуального зеркального отображения; – в программе для производства печати увеличение изображения в объеме (по всему периметру) на 1 мм; – виртуальное вырезание внутреннего содержания и формирование стенок толщиной в 1 мм; – формирование отверстий в противоположных полюсах; – печать кюветы на трехмерном принтере; – заливка через отверстие окрашенного силикона; – вулканизация в печи при температуре 82°С в течение 40 мин; – извлечение силиконового эпитеза ушной раковины из тонкостенной кюветы путем разрушения последней; – финишная обработка поверхности силиконового эпитеза. 2. Протокол протетической реконструкции при тотальном отсутствии ушной раковины включает следующие этапы: Рекомендуется, для обеспечения наибольшей адгезивной прочности фиксации силиконового эпитеза ушной раковины, в течение светового дня преимущественно использовать силиконовый клей. Однако, учитывая, что силиконовый клей способствует увеличению адгезии микроорганизмов к кожным покровам, необходимо гигиенические процедуры проводить ежедневно. 3. Для достоверного мониторинга эффективности протетической реконструкции ушной раковины рекомендуем использовать автоматизированные опросники общий «WHOQOL-BREF» и специализированный «QL PAER» (Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ NoNo: 2020616894, 2021611986). Статистическую обработку данных по опросникам качества жизни рекомендуем осуществлять с использованием комплекса автоматизированных нами программ для ЭВМ (Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ NoNo: 2020618251, 2020660899, 2020660965, 2019615915).