Экспериментальное изучение распределения температуры в длинных трубчатых костях при периоссальном расположении нагревателей

Цель исследования – изучить динамику изменения температуры снаружи и внутри длинных трубчатых костей животных под воздействием разных температурных режимов в течение заданного времени.

Материал и методы. Эксперименты проводились с использованием свежезамороженных длинных трубчатых костей свиней. Нагрев осуществлялся с помощью поверхностных нагревателей, температура которых определялась выбранным режимом, в течение 1 ч; фиксация температурных значений проводилась ежеминутно. Экспериментальное исследование было построено на изучении четырех температурных режимов: трех с постоянной температурой (РПН) нагревателя (60, 70, 80 °C) и режима максимального нагрева (РМН), при котором специального ограничения температуры не устанавливалось, поэтому нагрев осуществлялся до 120 °C.

Результаты. Происходящие процессы можно описать следующим образом: в первые 10 мин нагрева происходит быстрый подъем температуры, при этом темпы прироста температуры на наружной поверхности опережают темпы прироста температуры внутри костномозгового канала, что приводит к формированию значительной температурной разницы. Далее наблюдается замедление темпов прироста температуры, что приводит к постепенному сближению температурных значений внутри и снаружи кости с последующей стабилизацией температуры на устойчивом уровне (плато), который различен для исследуемых областей. В этот период температурная разница составляет 3,5–6 °C и сохраняется на данном уровне до конца исследования. При РПН 60/70/80 °C стабилизация температуры происходит на уровне 55/61/70 °C в центре костномозгового канала и на уровне 58/67/75 °C под нагревателем соответственно. Период до выхода на температуру стабилизации составляет 30–40 мин. Также необходимо отметить, что устойчивые уровни температуры как внутри, так и снаружи кости были ниже уровня стабилизации температуры нагревателя. Следовательно, чтобы достичь планируемой температуры в центре кости, к ее наружной поверхности необходимо приложить большую температуру, т.е. формируется нисходящий температурный градиент: температура стабилизации нагревателя – температура на наружной поверхности – температура внутри костномозгового канала. Увеличение температуры воздействия позволяет сократить период нагрева, но способствует увеличению температурной разницы в период нагрева (до 25 °C на 5-й мин нагрева при использовании режима максимального нагрева).

Заключение. Для того, чтобы обеспечить выход на необходимую температуру (60 °С) в течение короткого времени (15–20 мин) при сохранении оптимальных температурных параметров, было предложено разработать режимы с переменной температурой, которые сочетали бы в себе первоначальное использование режима максимального нагрева до момента достижения заданной температуры в костномозговой полости с последующим переключением на режим с постоянной температурой, позволяющий поддерживать достигнутый температурный уровень во время лечебного воздействия.

1. Qu H., Guo W., Yang R., Li D., Tang S., Yang Y., Dong S., Zang J. Reconstruction of segmental bone defect of long bones after tumor resection by devitalized tumor-bearing bone. World J Surg Oncol. 2015; 13: 282. doi: 10.1186/s12957-015-0694-3.

2. Khattak M.J., Umer M., Haroon-ur-Rasheed, Umar M. Autoclaved tumor bone for reconstruction: an alternative in developing countries. Clin Orthop Relat Res. 2006; 447: 138–44.

3. Pan K.L., Chan W.H., Ong G.B., Premsenthil S., Zulkarnaen M., Norlida D., Abidin Z. Limb salvage in osteosarcoma using autoclaved tumor-bearing bone. World J Surg Oncol. 2012; 10: 105. doi: 10.1186/1477-7819-10-105.

4. Umer M., Umer H.M., Qadir I., Rashid H., Awan R., Askari R., Ashraf S. Autoclaved tumor bone for skeletal reconstruction in paediatric patients: a low cost alternative in developing countries. Biomed Res Int. 2013. doi: 10.1155/2013/698461.

5. Manabe J., Ahmed A.R., Kawaguchi N., Matsumoto S., Kuroda H. Pasteurized autologous bone graft in surgery for bone and soft tissue sarcoma. Clin Orthop Relat Res. 2004; (419): 258–66. doi: 10.1097/00003086-200402000-00042.

6. Пахмурин Д.О., Федоров А.А., Кобзев А.В., Семенов В.Д., Анисеня И.И., Богоутдинова А.В., Ситников П.К., Кажмаганбетова М., Матюшков С., Хан К.И., Семенова Г.Д. Способ интраоперационного гипертермического воздействия на костную ткань. Патент РФ № 2695305. Заявл. 13.07.2018; Опубл. 22.07.2019.

7. Пахмурин Д.О., Кобзев А.В., Семенов В.Д., Литвинов А.В., Учаев В.Н., Хуторной А.Ю. Автоматизированные комплексы высокотемпературного воздействия на биологические ткани. Томск, 2014. 88 с.

8. Pakhmurin D.O., Kobzev A.V., Semenov V.D., Litvinov A.V., Uchaev V.N., Khutornoy A.Yu. A Method of Controlled Local Hyperthermia. World Appl Sci J. 2014; 30(9): 1182–7. doi: 10.5829/idosi.wasj.2014.30.09.14146.

9. Pakhmurin D.O., Kobzev A.V., Semenov V.D., Litvinov A.V., Uchaev V.N., Khutornoy A.Yu. A Temperature Stabilization Device for Local Hyperthermia in Cancer Treatment. Middle-East J Sci Res. 2014; 20(12): 1940–5. doi: 10.5829/idosi.mejsr.2014.20.12.21097.

10. Кобзев А.В., Пахмурин Д.О., Семенов В.Д., Семенова Г.Д. Комплекс для высокотемпературного воздействия на биологическую ткань (варианты). Патент РФ № 2636877. Заявл. 21.11.2016; Опубл. 28.11.2017.

11. Hart N.H., Nimphius S., Rantalainen T., Ireland A., Siafarikas A., Newton R.U. Mechanical basis of bone strength: infuence of bone material, bone structure and muscle action. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2017; 17(3): 114–39.

12. Perilli E., Baleani M., Ohman C., Fognani R., Baruffaldi F., Viceconti M. Dependence of mechanical compressive strength on local variations in microarchitecture in cancellous bone of proximal human femur. J Biomech. 2008; 41(2): 438–46. doi: 10.1016/j.jbiomech.2007.08.003.

13. McDonald J.H. Handbook of Biological Statistics. 3rd ed. [Internet]. Baltimore: Sparky House Publishing, 2014. [cited 2021 Sep 2]. URL: www.biostathandbook.com.

14. Mann H.B., Whitney D.R. On a test of whether one of two random variables is stochastically larger than the other. Ann. Math. Stat. 1947; 18: 50–60. doi: 10.1214/aoms/1177730491.

15. Castellan S., N. John Castellan Jr. Nonparametric Statistics for the Behavioral Sciences. Second ed. New York: McGraw-Hill, 1988.

16. Köhler P., Kreicbergs A., Strömberg L. Physical properties of autoclaved bone. Torsion test of rabbit diaphyseal bone. Acta Orthop Scand. 1986; 57(2): 141–5. doi: 10.3109/17453678609000888.

17. Knaepler H., Haas H., Puschel H.U. Biomechanische Eigenschaften thermisch und radioaktiv behandelter Spongiosa. Unfallchirung. 1991; 17: 194–9.

18. Singh V.A., Nagalingam J., Saad M. Pailoor., J. Which is the best method of sterilization of tumour bone for reimplantation? A biomechanical and histopathological study. BioMedical Engineering OnLine. 2010, 9: 48. doi: 10.1186/1475-925Х-9-48.

19. Pakhmurin D., Pakhmurina V., Kashin A., Kulkov A., Khlusov I., Kostyuchenko E., Sidorov I., Anisenya I. Compressive Strength Characteristics of Long Tubular Bones after Hyperthermal Ablation. Symmetry. 2022; 14(2). doi:10.3390/sym14020303.

20. Анисимова Н.Ю., Киселевский М.В., Абдуллаев А.Г., Малахова Н.В., Ситдикова С.М., Полоцкий Б.Е., Давыдов М.М. Влияние гипертермии на жизнеспособность и пролиферативную активность опухолевых клеток. Российский онкологический журнал. 2016; 21(5): 250–2. doi: 10.18821/1028-9984-2016-21-5-250-252.

21. Rong Y., Sato K., Sugiura H., Ito T., Sakano S., Iwata H., Kimata K. Efect of elevated temperature on experimental swarm rat chondrosarcoma. Clin Orthop Relat Res. 1995; (311): 227–31.

22. Зайцев В.В., Карягина А.С., Лунин В.Г. Костные морфогенетические белки (BMP): Общая характеристика, перспективы клинического применения в травматологии и ортопедии. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н.Приорова. 2009; (4): 79–84.

23. Reddi A.H. Role of morphogenetic proteins in skeletal tissue engineering and regeneration. Nat Biotechnol. 1998; 16(3): 247–52. doi: 10.1038/nbt0398-247.

24. Okamoto M., Murai J., Yoshikawa H., Tsumaki N. Bone morphogenetic proteins in bone stimulate osteoclasts and osteoblasts during bone development. J Bone Miner Res. 2006; 21(7): 1022–33. doi: 10.1359/jbmr.060411.