Мобильная версия

Журнал «Боль. Суставы. Позвоночник» 3 (19) 2015

Механічні властивості регенерату зони перелому стегнової кістки при застосуванні імплантатів із різним модулем пружності

Авторы: Юхимчук О.А. - Київська міська клінічна лікарня № 7; Калашніков А.В. - ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ

Рубрики: Ревматология, Травматология и ортопедия

Разделы: Справочник специалиста

Проведене експериментальне дослідження на стегнових кістках кроликів породи шиншила. Стегнові кістки брали з 4 експериментальних груп спостереження: з контрольної групи, у якій оперативне втручання не проводилося, та трьох дослідніх груп. Усі кролики дослідних груп отримували в підвертлюговій ділянці перелом із подальшим металоостеосинтезом металевими стрижнями. Тваринам другої групи було виконано металоостеосинтез стрижнем із нержавіючої сталі (316L), третьої — із титаново-ванадієвого (ВТ-6) та четвертої — із цирконієво-титанового (Zr-Ti) сплаву. Тварин виводили з експерименту через 90 діб після консолідації перелому стегнової кістки. Визначали механічні характеристики кісток на розтягання та стискання.
Установлено, що біомеханічні показники кісток на розтягання поступаються подібним показникам при стисканні, кістки з наявністю металофіксаторів мають більшу міцність у зоні зрощеного перелому, ніж кістки контрольної групи. При дослідженні роботи кісткового регенерату на розтягнення та стискання найкращі результати міцності визначені в зразках кісток із наявністю металофіксатора з β-Zr-Ti-сплаву. Проведене дослідження доводить доцільність розробки та впровадження в клінічну практику травматологів-ортопедів імплантатів на основі низькомодульного β-Zr-Ti-сплаву, що дозволить поліпшити результати лікування переломів довгих кісток та зменшити відсоток післяопераційних ускладнень.

Проведено экспериментальное исследование на бедренных костях кроликов породы шиншилла. Бедренные кости брали из 4 экспериментальных групп наблюдения: контрольной группы, в которой оперативное вмешательство не проводилось, и трех исследуемых групп. Все кролики опытных групп получали в подвертельной области перелом с последующим металлоостеосинтезом металлическими стержнями. Животным второй группы был выполнен металлоостеосинтез стержнем из нержавеющей стали (316L), третьей — из титано-ванадиевого (ВТ-6) и четвертой — из циркониево-титанового сплава (Zr-Ti). Животных выводили из эксперимента через 90 суток после консолидации перелома бедренной кости. Определяли механические характеристики костей на растяжение и сжатие.
Установлено, что биомеханические показатели костей на растяжение уступают подобным показателям при сжатии, кости с наличием металлофиксаторов имеют большую прочность в зоне сросшегося перелома, чем кости контрольной группы. При исследовании работы костного регенерата на растяжение и сжатие наилучшие результаты прочности определены в образцах костей с наличием металлофиксатора из β-Zr-Ti-сплава. Проведенное исследование доказывает целесообразность разработки и внедрения в клиническую практику травматологов-ортопедов имплантатов на основе низкомодульного β-Zr-Ti-сплава, что позволит улучшить результаты лечения переломов длинных костей и уменьшить процент послеоперационных осложнений.

An experimental study on the femoral bones of Chinchilla rabbits has been carried out. Femoral bones were taken from 4 experimental study groups: control group, in which surgery was not performed, and three research groups. All rabbits from the research groups underwent subtrochanteric fracture with subsequent osteosynthesis using metal rods. Animals in the second group were made osteosynthesis with nails made of stainless steel (316L), in the third — of titanium-vanadium (VT-6) and in the fourth — of zirconium-titanium alloy (Zr-Ti). Animals were removed from the experiment in 90 days after healing of femoral fracture. The mechanical characteristics of bone for extension and compression were assessed.
It is established that the biomechanical indicators of bone extension are inferior to the similar performance in compression, bones in the presence of fixation devices have the higher strength in the area of healed fracture than the bones of the control group animals. When studying the function of bone regenerate for extension and compression, the best strength results were determined in bone samples with the presence of fixation device from β-Zr-Ti alloy. This study proves the feasibility of the development and introduction into clinical practice of orthopedic trauma surgeons of implants on the basis of low-modulus β-Zr-Ti alloy that will improve the results of treatment for long bone fractures and reduce the postoperative complications rate.

Ключевые слова

кістка, цирконієво-титановий сплав, механічні властивості, кістковий регенерат.

кость, циркониево-титановый сплав, механические свойства, костный регенерат.

bone, zirconium-titanium alloy, mechanical properties, bone regenerate.

Статтю опубліковано на с. 59-63

Вступ

Відомо, що в України за рік реєструється близько 2 млн травм та виконується понад 150 тис. оперативних втручань на кістках [2]. При лікуванні діафізарних переломів кісток, за даними закордонних та вітчизняних фахівців, випадки розвитку розладів репаративного остеогенезу (РРО) становлять від 2,5 до 18 % [3, 4, 9]. Тому проблема РРО при переломах кісток зараз є однією з найбільш актуальних проблем травматології та ортопедії.

Аналіз сучасної вітчизняної та зарубіжної літератури свідчить про те, що в лікуванні переломів та їх наслідків як активно розвиваються консервативні методи, так і вдосконалюються оперативні методики з розробкою нового інструментарію та устаткування для здійснення стабільно-функціонального остеосинтезу [6, 7, 10, 13].

У зв’язку з цим принципово важливою є розробка технологій оптимізації репаративного остеогенезу з використанням металофіксаторів, модуль пружності яких максимально наближений до модуля пружності кісткової тканини.

У 2008 р. японськими вченими було винайдено новий сплав металу, що за модулем пружності наближується до модуля пружності кісткової тканини, тобто 60–63 ГПа [15]. Було встановлено, що застосування імплантатів із високими показниками модуля пружності, введеними в інтактну стегнову кістку кроликів, призводить до виникнення синдрому stress-shilding, тобто резорбції кісткової тканини внаслідок зменшення пружної деформації кістки. У той самий час імплантація фіксаторів із сплавів металів, розроблених японськими вченими, не призводить до негативних змін у структурі кісткової тканини.

Інженерами-матеріалознавцями Київського науково-дослідного інституту металофізики НАМН України винайдено сплав металів, що за показниками модуля пружності (модуль Юнга) наближається до показників модуля пружності кісткової тканини, а саме сплав цирконій-титан (Zr-Ti). Якщо модуль пружності кісткової тканини становить 15–30 ГПа, то модуль пружності цього сплаву металів — 47–53 ГПa.

Тому цікавим у науковому плані було визначити механічні властивості регенерату зони перелому стегнової кістки експериментальних тварин при застосуванні імпланту з вітчизняного сплаву Zr-Ti.

Мета роботи — визначити механічні властивості регенерату зони перелому стегнової кістки при застосуванні імплантатів із різним модулем пружності.

Матеріали й методи

Механічні випробування кісткового матеріалу проводили в лабораторії статичних випробувань кафедри механіки та опору матеріалів Національного університету біоресурсів і природокористування України. Як випробувальне обладнання використовувалася машина Fin-1000 фірми Werkstoffprufmaschinen veb thuringer industriewerk rauenstein (Німеччина) із максимальним навантаженням 1000 кгс. Як дослідний матеріал використовували стегнові кістки (по 3 із кожної групи) кроликів породи шиншила віком 13 міс. Стегнові кістки брали з 4 експериментальних груп спостереження: першої (контрольної) групи, у якій тваринам оперативне втручання не проводилося, та трьох дослідних груп. Усі кролики дослідних груп отримували однотипну травму стегнової кістки, проксимальної третини діафіза, у підвертлюговій ділянці — поперечний перелом, виконаний із допомогою ветеринарного остеотома, із подальшим металоостеосинтезом (МОС) металевими стрижнями [15]. Тваринам другої групи було виконано інтрамедулярний МОС за допомогою стрижня із нержавіючої сталі (316L); тваринам третьої групи — стрижня із титаново-ванадієвого сплаву (ВТ-6) та тваринам четвертої групи — стрижня із сплаву Zr-Ti. Тварин виводили з експерименту через 90 діб після консолідації перелому стегнової кістки [12, 14].

З метою визначення об’єктивних механічних характеристик кісток із мінімальним впливом умов випробування обрано найпростіші види деформації, а саме розтягання та стискання.

Руйнівні напруження кістки при даних видах випробувань визначали за класичною формулою механіки матеріалів [1, 8]:

де σ — нормальне руйнівне напруження при розтяганні чи стисканні, Па; Fmax — максимальне навантаження, Н; A0 — початкова площа поперечного перерізу діафізарної частини кістки, м2, що визначалася за формулою:

де d1 — зовнішній діаметр діафізарної частини кістки, м; d2 — внутрішній діаметр діафізарної частини кістки, м.

Крім кількісного, оцінювали й якісні характеристики руйнування кісток під час їх критичного напруження. Статистичну обробку матеріалу проводили з використанням пакетів програм Мicrosoft Еxсel, 2010 та Statistica 7.0 [5, 11].

Результати та їх обговорення

При випробуваннях на розтягання максимальне навантаження, що витримували кістки контрольної групи, знаходилося в межах 142–160 Н або 7,6–8,6 МПа (рис. 1).

Показники міцності на розтягання кісток дослідних груп експериментальних тварин подано на рис. 2. Максимальне руйнівне навантаження для кісток дослідної групи знаходилося в межах 330–415 Н або 16–22 МПа.

Аналізуючи рис. 1 та 2, можна відмітити більшу міцність при напруженні на розтягання кісток дослідних груп, на яких проводилось оперативне втручання з імплантацією металевих стрижней, порівняно з кістками контрольної групи, на яких оперативне втручання не проводилося. Найбільшу міцність мали зразки кісток третьої (із фіксатором із сплаву ВТ-6) та четвертої (із металофіксатором із β-Zr-Ti-сплаву) груп спостереження. Про більшу міцність при напруженні на розтягання кісток дослідних груп порівняно з кістками контрольної групи свідчить і характер руйнування кісток, що наведений нижче.

При випробуванні стегнових кісток кроликів на розтягання були зафіксовані два характерних випадки руйнування. Для кісток контрольної групи тріщини утворювались у середній третині діафіза кістки, по яких і відбувалося руйнування. Орієнтація тріщин мала зигзагоподібний хаотичний характер, що вказувало на анізотропію механічних характеристик кістки в зоні руйнування. Руйнування кістки починалося з зовнішнього кортикального шару по передньобоковій поверхні із поширенням у дистальний відділ кістки. До того ж руйнування дистального відділу було більш виражене, ніж руйнування проксимального відділу. У всіх випадках спостерігається квазікрихкий характер руйнування. Локалізації зони деформування не спостерігалося.

При випробуваннях стегнових кісток кроликів дослідної групи фіксувалося утворення тріщин у зоні підвертлюгової та вертлюгової ділянок стегнової кістки. Орієнтація перелому мала схильність до поперечного типу перелому з розгалуженням, що вказувало на меншу анізотропію кісткового матеріалу порівняно з контрольною групою, і, як наслідок, більшу його міцність із меншим розкидом показників.

При випробуваннях на більш природній вид деформації кістки — стискання максимальні навантаження, що витримували кістки першої (контрольної) групи, знаходилися в межах 1100–1500 Н. Типова діаграма деформування кістки тварини контрольної групи на стискання наведена на рис. 3.

Руйнівні напруження на стискання зразків кісток контрольної групи знаходились у межах 59–62 МПа (рис. 4).

Максимальні навантаження на стискання, що витримували кістки дослідних (2-га — 4-та) груп експериментальних тварин, знаходилися в межах 1340–1488 Н. Типова діаграма деформування кісток тварин дослідних груп на стискання наведена на рис. 5.

Руйнівні напруження на стискання зразків кісток дослідних груп знаходились в межах 71,8–79,8 МПа (рис. 6).

Аналізуючи рис. 3–6, можна відмітити більшу міцність при напруженні на стискання кісток дослідних груп, у яких проводилось оперативне втручання з імплантацією металевих стрижнів (максимальні навантаження становили 1340–1488 Н, руйнівні напруження — в межах 71,8–79,8 МПа), порівняно з кістками контрольної групи, у якій оперативне втручання не проводилося (максимальні навантаження — 1100–1500 Н, руйнівні напруження — 59–62 МПа). Найбільшу міцність мали зразки кісток четвертої (із металофіксатором з β-Zr-Ti-сплаву) групи спостереження — рівень руйнівних напружень становив 79,8 МПа. Про більшу міцність при напруженні на стискання кісток дослідних груп порівняно з кістками контрольної групи також свідчить характер руйнування кісток експериментальних тварин.

При випробуваннях зони регенерату кісткової тканини (зрощений перелом підвертлюгової ділянки) на стискання на відміну від здорових кісток фіксувалося розшарування зовнішнього кортикального шару з напрямком розшарування до середини кісткової мозолі з проксимального та дистального напрямків. Деформування мало суто пружний характер.

Висновки

1. За результатами випробувань установлено, що біомеханічні показники роботи кістки на розтягання поступаються біомеханічним показникам при стисканні.

2. Базуючись на аналізі результатів механічних випробувань та натурного руйнування при навантаженні на розтягання та стискання, можна відмітити, що оперовані кістки з наявністю металофіксаторів мають значно більшу міцність у зоні зрощеного перелому, ніж кістки контрольної групи.

3. При дослідженні роботи кісткового регенерату (зрощеного перелому) на розтягання та стискання найкращі результати міцності визначені в зразках кісток із наявністю металофіксатора з β-Zr-Ti-сплаву.

4. Проведене біомеханічне дослідження доводить доцільність розробки та впровадження в клінічну практику травматологів-ортопедів імплантатів на основі низькомодульного β-Zr-Ti-сплаву, що дозволить поліпшити результати лікування переломів довгих кісток та зменшити відсоток післяопераційних ускладнень.

Список литературы

1. Александер Р. Биомеханика / Р. Александер. — М.: Мир, 1970. — 340 с.

2. Аналіз стану травматологічно-ортопедичної допомоги населенню України в 2006–2007 рр. Довідник / Гайко Г.В., Корж М.О., Калашніков А.В., Герасименко С.І., Полішко В.П. — К.: Видавнича компанія «Воля», 2008. — 134 с.

3. Аналіз структури первинної інвалідності та чинників її формування при травмах кінцівок в умовах великого міста / Гайко Г.В., Калашніков А.В., Боєр В.А. та ін. // Мат-ли науково-практичної конференції з міжнародною участю «Медико-соціальна експертиза і реабілітація хворих внаслідок травм і захворювань опорно-рухового апарату». — Дніпропетровськ: Пороги, 2008. — С. 23-24.

4. Гиршин С.Г. Клинические лекции по неотложной травматологии / С.Г. Гиршин. — М.: Издательский дом «Азбука», 2004. — 543 с.

5. Гланц С. Медико-биологическая статистика: Пер. с англ. / С. Гланц. — М.: Практика, 1998. — 459 с.

6. Дедух Н.В. Новые технологи в регенерации кости: использование факторов роста / Н.В. Дедух, С.А. Хмызов, А.А. Тихоненко // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2008. — № 4. — С. 129-133.

7. Дорожкин С.В. Современные биоматериалы / С.В. Дорожкин, С. Агатопоулус // Путь в науку. — 2005. — № 1. — С. 10-16.

8. Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.И. Селуянов. — М.: Физкультура и спорт, 1981. — 143 с.

9. Калашніков А.В. Розлади репаративного остеогенезу у хворих із переломами довгих кісток (діагностика, прогнозування, лікування, профілактика): Дис… д-ра мед. наук: 14.01.21 / Калашніков Андрій Валерійович. — К., 2003. — 284 с.

10. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль оптимизации и стимуляции в реконструкции кости / Н.А. Корж, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2008. — № 4. — С. 5-14.

11. Лапач С.Н. Статистические методы в биологических исследованиях с использованием Excel / Лапач С.Н., Чубенко А.В., Бабич П.Н. — К.: Морион, 2000. — 320 с.

12. Науково-практичні рекомендації з утримання лабораторних тварин та робота з ними / Кожем’якін Ю.М., Хромов О.С., Філоненко М.А., Сайдетдінова Г.А. — К.: Авіцена, 2002. — 156 с.

13. Dallari D. Enhanced tibial osteotomy healing with use of bone grafts supplemented with platelet gel or platelet gel and bone marrow stromal cells / D. Dallari, L. Savarino, C. Stagni et al. // J. Bone Surg. — 2007. — Vol. 89, № 11. — P. 2413-2420.

14. European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purpose: Council of Europe 18.03.1986. — Strasburg, 1986. — 52 p.

15. Influence of Alloy Elements on the Osteoconductivity of Anodized Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr Alloy / D. Yamamoto, A. Waki, K. Kuroda et al. // J.Biomaterials and Nanobiotechnology. — 2013. — Vol. 4. — P. 229-236.