Углеродный эндопротез тазобедренного сустава

27.04.2020

Углеродный эндопротез тазобедренного сустава

Разработана конструкция углеродного эндопротеза тазобедренного сустава. Подобран и применен при изготовлении эндопротеза
долговечный биосовместимый углеродный материал. Исследованы и приведены свойства применяемых материалов. Протез состоит из ножки, чашки и головки.

Хирургическое лечение тазобедренного сустава связано с проблемой современного медицинского материаловедения. Это объясняется тем, что материалы должны быть биосовместимыми и работоспособными до 100 лет.

В настоящее время в восстановительной хирургии тазобедренной области используются многочисленные металлические, керамические и полимерные материалы. Известно, что сочетание металлических медицинских изделий в имплантатах осложняет работу эндопротеза из-за гальвано-электрических явлений вследствие различных электрохимических потенциалов, приводящих к металлозу окружающих биологических тканей или к коррозии деталей. Кроме того, металлам свойственно вызывать резорбцию костной ткани, а усталостные явления часто приводят к разрушению эндопротеза. Керамические материалы очень

износоустойчивы, но, к сожалению, очень дороги.

Хрупкость керамики ограничивает сферу её применения и вызывает резорбцию кости при прямом контакте [1]. Полимерные материалы нередко вызывают злокачественные перерождения окружающих тканей, проявляют хладотекучесть, старение, что приводит к деформации и разрушению эндопротеза [2].

Следовательно, возникает необходимость разработки таких материалов для эндопротезирования тазобедренных суставов, которые могли бы обеспечивать долгосрочную биосовместимость с живым организмом человека без длительной замены. АО «НИИграфит» имеет многолетний опыт разработки углеродных медицинских изделий из углепластика ОСТЕК, используемых в хирургии костей свода черепа [3] и костей челюстно-лицевой области [4]. В офтальмологии используют углеродный войлок «Карботекстим-М» для формирования опорно-двигательной культи после энуклеации глазного яблока и при других пластических операциях в области орбиты, а также дренажи из углеродной нити для лечения глаукомы [5] и др. Все названные углеродные изделия внедрены в клиническую практику страны и, как показывает опыт, без отторжений, что говорит о биосовместимости углеродных материалов и надёжной работоспособности.

Биологическая совместимость рассматривается как отсутствие существенных биохимических реакций при непосредственном и длительном контакте углеродных материалов с живыми тканями. Долговечность работоспособности эндопротезов определяет не только биосовместимость, но и физико-химические и поверхностные свойства материала. Технология производства углеродных материалов для медицинских целей позволяет получать материал с заданными свойствами, близкими к кости человека. В итоге углеродные материалы обладают:

– биосовместимостью;

– отсутствием токсичности и канцерогенности;

–неизменностью под воздействием биологических сред и отсутствием коррозии при контакте с живой тканью;

– отсутствием усталостных напряжений;

– низким коэффициентом трения и величиной из носа;

–способностью стимулировать рост биологической ткани;

– возможностью получать высокопористые или высокоплотные материалы;

–возможностью получать поверхности медицинских изделий высокой чистоты;

–возможностью применения быстрой стерилизации любого типа.

Ни один из применяемых в настоящее время имплантируемых материалов не обладает таким набором свойств.

На рисунке 1 представлена конструкция эндопротеза тазобедренного сустава. Он состоит из трех отдельных сборных деталей, которые компонуются во время операции.

Ножка эндопротеза изготавливается из углепластика, получаемого методом горячего прессования пресс-пакета, состоящего из полотна углеродной ткани марки ТГН-2М и пленки термопластичного полиамида 12/10, сложенных послойно в виде слоеного пирога. Углеродную ткань ТГН-2М получают из вискозной нити при температуре 2400 ̊С, что обеспечивает высокую химическую чистоту. Для получения углепластика с высокими прочностными свойствами ткань подвергают электрохимической обработке, что увеличивает поверхностную пористость структуры ткани и повышает степень взаимодействия с полиамидным связующим веществом.

Процесс прессования пакета происходит при температуре 210-220 °С, давлении 100 кг/см2, время выдержки 2 часа. Свойства углепластика приведены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства углепластика

С целью обеспечения больных различного возрастного состава с патологией тазобедренной области нами разработано 8 вариантов ножек эндопротезов, представленных на рисунке 2 и в таблице 2.

Свойства углеродного эндопротеза во многом идентичны свойствам кости здорового человека. Конструкция системы «кость-имплантат» хорошо функционирует на протяжении длительного времени, когда её части равномерно нагружены. Применение конструкции из углепластика с упругими характеристиками, близкими к характеристикам кости, гарантирует создание ситуации, при которой во время ходьбы имплантат деформируется вместе с костью. Это сводит на нет концетрацию остаточных напряжений, разрушение ножки и расшатывание её в местах плотного контакта с костью.

Прочностные и поверхностные свойства углеродного эндопротеза необходимы для замещения части органа или ткани за счет механических свойств, которые будут выполнять функции утраченной ткани, не изменяя своих физико-механических и биологических свойств. Плотной фиксации ножки эндопротеза при безцементном её укреплении в бедренной костиспособствует набухание на 2-4 % углепластика в биологической среде. Такая фиксация позволяет углероду проявлять свою способность провоцировать рост соединительнотканной пленки, выступающей в роли дополнительного крепления эндопротеза в кости.

Соединения головки эндопротеза с ножной осуществляется посредством конусной посадки 12/14 во время операции после имплантирования ножки в бедренную кость.

Головку (рис. 3, табл. 4) и чашку (рис. 4, табл. 5) изготавливают из мелкозернистого прочного графита марки МПГ-7 промышленного производства по ТУ 1915-028-00200851-2009. Свойства графита приведены в таблице 3.

Таблица 3

Физико-механические свойства графита МПГ-7

Графит МПГ-7 обладает мелкозернистой структурой с величиной зерна менее 50 нм и относится к наноматериалам.

Микроструктура материала представлена на рисунках 5-8. Производство графита ведут при температуре 2800 ̊С, что обеспечивает материалу высокие антифрикционные свойства и химическую чистоту.

Работоспособность углеродного эндопротеза тазобедренного сустава зависит от антифрикционных свойств трущихся элементов, т.е. головки и чашки. В лаборатории антифрикционных материалов АО «НИИграфит» были определены коэффициент трения и
эрозионный износ. Исследования проводили на испытательной машине фирмы «Амслер». Образцы для исследования изготавливались двух видов:

– ролик, диаметром 50 мм и высотой 10 мм;

– пластина, размером 10×10×14 мм.

Перед испытаниями рабочие поверхности графита подвергались полировке.

Условия испытаний:

1.Пластина графита устанавливается неподвижно.

2.Ролик скользит по поверхности пластины со скоростью 0,5 м/с.

3.Нагрузка на ролик составляет 100 кг (условно принятый вес человека).

4.Время непрерывного эксперимента составляет 20 часов.

Исследованиями было установлено:

– коэффициент трения пары графит-графит составляет 0,11±0,01;

– эрозионный износ графита – (0,56÷0,84)∙10-9м/м (метр износа на метр пройденного пути).

Такой износ пары трения графит-графит гарантирует 100-летнюю механическую эксплуатацию. Таким образом, разработана конструкция углеродного эндопротеза тазобедренного сустава. Подобран и применен при изготовлении эндопротеза долговечный

биосовместимый углеродный материал. Исследованы и приведены свойства применяемых материалов.

Соединение чашки с биологической костью вертлужной впадины осуществляется во время операции с помощью костного цемента.

ЛИТЕРАТУРА

1.Мусалатов Х.А. Углеродные имплантаты в травматологии и ортопедии : автореф. дис... д-ра мед. наук. М., 1990. 47 с.

2.Применение углеродных имплантатов в травматологии и ортопедии / Г.С. Юмашев, Х.А. Мусалатов, И.Н. Лавров, А.В. Яншевский, В.С. Бородкин, Ю.С. Лопатто, С.В. Бровкин, А.Г. Юмашев // Эндопротезирование в травматологии и ортопедии : сб. науч. тр. Саратов, 1987. С. 6-9.

3.Исследование свойств углеродных материалов, используемых в медицине / П.И. Золкин, Т.В. Леонова, Т.В. Юдина, В.Ф. Татарников // Конверсия в машиностроении. 2003. No 3. С. 100-104.

4.Головин Р.В. Клинико-экспериментальное изучение эффективности применения рентгеноконтрастного углеродного материала при реконструктивно-восстановительных операциях в челюстной области : автореф. дис...канд. мед. наук. М., 2005. 32 с.

5.Разработка дренажа из углеродной нити для лечения глаукомы на этапе исследований in vitro / В.В. Нероев, В.П. Быков, П.И. Золкин, О.И. Кваша, Т.А. Белёвцева // Рос. офтальмолог. журн. 2010. Т. 3, No 3. С. 44-47.

6.Золкин П.И., Островский В.С. Углеродные материалы в медицине. М.: Металлургиздат, 2014. С. 14

Сведения об авторах:

1.Золкин Петр Иванович – АО «НИИграфит», предприятие Госкорпорации «РОСАТОМ», главный научный сотрудник, д. т. н.

2. Кавалерский Геннадий Михайлович – ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, директор клиники травматологии, ортопедии и патологии суставов, профессор, д. м. н.

3. Середа Андрей Петрович – ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, заместитель директора клиники травматологии, ортопедии и патологии суставов, к. м. н.

4. Аберяхимов Харис Максимович – АО «НИИграфит», предприятие Госкорпорации «РОСАТОМ», руководитель «Медпроекта», к. т. н.

5. Алтуфьев Александр Васильевич – АО «НИИграфит», предприятие Госкорпорации «РОСАТОМ», старший инженер-конструктор.

6. Бережнова Анна Александровна – АО «НИИграфит», предприятие Госкорпорации «РОСАТОМ», инженер-конструктор

Теги: тазобедренный сустав
234567 Начало активности (дата): 27.04.2020 20:48:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: глеродный эндопротез, тазобедренный сустав, хирургическое лечение, углепластик, биосовместимость, имплантат
12354567899

Углеродный эндопротез тазобедренного сустава

Углеродный эндопротез тазобедренного сустава

Похожие статьи