CC BY
37
Практична медицина / Practical Medicine
TiOflbr СУСТАВЫ.
позвоночн ик
УДК616.718.4-003.9-001.5-089.843
ЮХИМЧУК О.А.2, КАЛАШН1КОВ А.В.1
1ДУ «1нститут травматологи та ортопеда НАМН Украни», м. Кив 2КиВська м'кька кл'ш'чна лкарня № 7
МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 РЕГЕНЕРАТУ ЗОНИ ПЕРЕЛОМУ СТЕГНОВО1 К1СТКИ ПРИ ЗАСТОСУВАНН1 1МПЛАНТАТ1В 13 Р1ЗНИМ МОДУЛЕМ ПРУЖНОСТ1
Резюме. Проведене експериментальне дослщження на стегнових метках кролимв породи шиншила. Стегновi метки брали з 4 експериментальних груп спостереження: з контрольно! групи, у якш оперативне втручання не проводилося, та трьох дослщых груп. Ус кролики дослщних груп отримували в пщвертлюговш дiлянцi перелом iз подальшим металоостео-синтезом металевими стрижнями. Тваринам друго! групи було виконано металоостеосин-тез стрижнем iз нержав^чо! сталi (3161), третьо! — iз титаново-ванад^вого (ВТ-6) та чет-верто! — iз цирконi€во-титанового (Zr-Ti) сплаву. Тварин виводили з експерименту через 90 дiб пкля консолщаци перелому стегново! кiстки. Визначали механiчнi характеристики мсток на розтягання та стискання.
Установлено, що бiомеханiчнi показники кiсток на розтягання поступаються подiбним по-казникам при стисканш, кiстки з наявшстю металофiксаторiв мають бiльшу мiцнiсть у зон зрощеного перелому, нiж мстки контрольно! групи. При дослiдженнi роботи ккткового регенерату на розтягнення та стискання найкращi результати мiцностi визначеш в зраз-ках кiсток iз наявнiстю металофiксатора з р^г-ТЬсплаву. Проведене доспщження доводить доцiльнiсть розробки та впровадження в кл^чну практику травматологiв-ортопедiв iмп-лантатiв на основi низькомодульного Р^г-Тисплаву, що дозволить полiпшити результати лтування переломiв довгих кiсток та зменшити вiдсоток пiсляоперацiйних ускладнень. Ключовi слова: кiстка, цирконi€во-титановий сплав, механiчнi властивостi, кiстковий регенерат.
Вступ
Вщомо, що в Укра'ши за рк: рееструеться близько 2 млн травм та виконуеться понад 150 тис. оператив-них втручань на юстках [2]. При лiкуваннi дiафiзарних переломiв исток, за даними закордонних та вггчизня-них фахiвцiв, випадки розвитку розладiв репаративно-го остеогенезу (РРО) становлять вщ 2,5 до 18 % [3, 4, 9]. Тому проблема РРО при переломах исток зараз е одшею з найбтьш актуальних проблем травматологи та ортопеди.
Анатз сучасно'1 впчизняно! та зарубiжноl лггерату-ри свiдчить про те, що в лщуванш переломiв та 1х на-слiдкiв як активно розвиваються консервативнi мето-ди, так i вдосконалюються оперативнi методики з роз-робкою нового шструментарш та устаткування для здiйснення стабтьно-функцюнального остеосинтезу [6, 7, 10, 13].
У зв'язку з цим принципово важливою е роз-робка технологш оптимiзацil репаративного остеогенезу з використанням металофiксаторiв, модуль пружностi яких максимально наближений до модуля пружност ыстково! тканини.
У 2008 р. японськими вченими було винайдено новий сплав металу, що за модулем пружност на-ближуеться до модуля пружност шстково! тканини, тобто 60—63 ГПа [15]. Було встановлено, що за-стосування iмплантатiв iз високими показника-
Адреса для листування з авторами: Калашнжов Андрш Валершович E-mail: [email protected]
© Юхимчук О.А., Калашнiков А.В., 2015 © «Бшь. Суглоби. Хребет», 2015 © Заславський О.Ю., 2015
ми модуля пружносп, введеними в штактну стег-нову ыстку кролик1в, призводить до виникнення синдрому тобто резорбцп ыстково!
тканини внасл1док зменшення пружно! деформа-ци к1стки. У той самий час 1мплантац1я ф1ксатор1в 1з сплав1в метал1в, розроблених японськими вчени-ми, не призводить до негативних змш у структур1 ыстково! тканини.
1нженерами-матер1алознавцями Ки!вського на-уково-дослщного 1нституту металоф1зики НАМН Укра!ни винайдено сплав метаив, що за показни-ками модуля пружност1 (модуль Юнга) наближаеть-ся до показник1в модуля пружносп ыстково! тканини, а саме сплав цирконш-титан (/г-Т1). Якщо модуль пружност1 ыстково! тканини становить 15— 30 ГПа, то модуль пружносп цього сплаву мета-л1в — 47-53 ГПа.
Тому щкавим у науковому план1 було визначи-ти механ1чн1 властивост1 регенерату зони перелому стегново! к1стки експериментальних тварин при за-стосуванн1 1мпланту з вггчизняного сплаву /г-Т1.
Мета роботи — визначити механ1чн1 властивост1 регенерату зони перелому стегново! ыстки при засто-суванн1 1мплантат1в 1з р1зним модулем пружност1.
Матерiали й методи
Мехашчш випробування к1сткового матер1а-лу проводили в лабораторп статичних випробу-вань кафедри механ1ки та опору матер1ал1в На-ц1онального ун1верситету бюресурс1в 1 природо-користування Укра!ни. Як випробувальне облад-нання використовувалася машина Fin-1000 ф1рми Werkstoffprufmaschinen уеЪ Шип^ег industriewerk rauenstein (Н1меччина) 1з максимальним наванта-женням 1000 кгс. Як дослщний матер1ал викорис-товували стегнов1 к1стки (по 3 1з кожно! групи) кро-лик1в породи шиншила в1ком 13 м1с. Стегнов1 ыст-ки брали з 4 експериментальних груп спостережен-ня: першо! (контрольно!) групи, у яый тваринам оперативне втручання не проводилося, та трьох до-слщних груп. Ус1 кролики досл1дних груп отримува-ли однотипну травму стегново! ыстки, проксимально! третини д1аф1за, у п1двертлюгов1й д1лянц1 — по-перечний перелом, виконаний 1з допомогою ветери-
нарного остеотома, 1з подальшим металоостеосин-тезом (МОС) металевими стрижнями [15]. Тваринам друго! групи було виконано штрамедулярний МОС за допомогою стрижня 1з нержав1ючо! стал1 (316Ь); тваринам третьо! групи — стрижня 1з титаново-вана-д1евого сплаву (ВТ-6) та тваринам четверто! групи — стрижня 1з сплаву Zr-Ti. Тварин виводили з експе-рименту через 90 д1б п1сля консолщацп перелому стегново! ыстки [12, 14].
З метою визначення об'ективних мехашчних характеристик ысток 1з м1н1мальним впливом умов випробування обрано найпрост1ш1 види деформаци, а саме розтягання та стискання.
Руйн1вн1 напруження ыстки при даних видах ви-пробувань визначали за класичною формулою меха-н1ки матер1ал1в [1, 8]:
Б
A0
де ст — нормальне руйнiвне напруження при розтя-ганш чи стисканнi, Па; F — максимальне наванта-
' ' max
ження, Н; Лд — початкова площа поперечного пере-pi3y дiaфiзaрноi частини кiстки, м2, що визначалася за формулою:
= n(d1 - d)
A0 4 '
де dj — зовшшнш дiaметр дiaфiзaрноi частини ыст-ки, м; d2 — внутрiшнiй дiaметр дiaфiзaрноi частини кicтки, м.
Крiм кiлькicного, оцiнювaли й якicнi характеристики руйнування ысток пiд час ix критичного напруження. Статистичну обробку мaтерiaлу проводили з використанням пакепв програм Microsoft Ехсе1, 2010 та Statistica 7.0 [5, 11].
Результати та ix обговорення
При випробуваннях на розтягання максимальне на-вантаження, що витримували кустки контрольно'! групи, знаходилося в межах 142—160 Н або 7,6—8,6 МПа (рис. 1).
Рисунок 1. Показниким'щност'!нарозтяганнястегнових к'ктоктварин першо)'(контрольно)') групи
Рисунок2. Показники мщност'!на розтягання к'кток do^idHux груп експериментальних тварин: 1 — друга
група (оперована кстка з металофксатором i3 нержавючо)сталi 316L); 2 — третя група (оперована к'ктка з фксатором i3 сплаву ВТ-6); 3 — четверта група (оперована к'ктка з металофЫсатором iз fi-Zr-Ti-сплаву)
Показники мщносл на розтягання исток дослш-них груп експериментальних тварин подано на рис. 2. Максимальне руйшвне навантаження для исток дослшно! групи знаходилося в межах 330—415 Н або 16-22 МПа.
Анатзуючи рис. 1 та 2, можна вщмггати бшьшу мщшсть при напруженнi на розтягання исток до-слiдних груп, на яких проводилось оперативне втру-чання з iмплантацieю металевих стрижней, порiвня-но з кiстками контрольно! групи, на яких оперативне втручання не проводилося. Найбшьшу мщшсть мали зразки исток третьо! (дз фiксатором iз сплаву ВТ-6) та четверто! (iз металофiксатором iз Р-/г-Т1-сплаву) груп спостереження. Про бшьшу мщшсть при напруженш на розтягання исток дослшних груп порiвняно з истками контрольно! групи свiдчить i характер руйнування кiсток, що наведений нижче.
При випробуваннi стегнових исток кроликiв на розтягання були зафшсоваш два характерних випад-ки руйнування. Для исток контрольно! групи трь щини утворювались у середнiй третиш дiафiза истки, по яких i вiдбувалося руйнування. Орieнтацiя трiщин мала зигзагоподiбний хаотичний характер, що вказувало на ашзотрошю механiчних характеристик истки в зош руйнування. Руйнування истки починалося з зовшшнього кортикального шару по передньобоковiй поверхш iз поширенням у дисталь-ний вщдш кiстки. До того ж руйнування дистально-го вщдшу було бшьш виражене, нiж руйнування проксимального вщдшу. У всiх випадках спостертаеть-ся квазiкрихкий характер руйнування. Локалiзацi! зони деформування не спостер^алося.
При випробуваннях стегнових кiсток кролиив дослiдно! групи фiксувалося утворення трщин у зонi пiдвертлюгово! та вертлюгово! дiлянок стегно-во! кiстки. Орieнтацiя перелому мала схильнiсть до поперечного типу перелому з розгалуженням, що вказувало на меншу анiзотропiю кiсткового матерь алу порiвняно з контрольною групою, i, як насль док, бшьшу його мщшсть iз меншим розкидом по-казникiв.
При випробуваннях на бшьш природнш вид де-формащ! кiстки — стискання максимальнi навантаження, що витримували истки першо! (контрольно!) групи, знаходилися в межах 1100-1500 Н. Ти-пова дiаграма деформування истки тварини контрольно! групи на стискання наведена на рис. 3.
Руйшвш напруження на стискання зразив исток контрольно! групи знаходились у межах 5962 МПа (рис. 4).
Максимальш навантаження на стискання, що витримували истки дослшних (2-га — 4-та) груп експериментальних тварин, знаходилися в межах 1340-1488 Н. Типова дiаграма деформування исток тварин дослшних груп на стискання наведена на рис. 5.
Руйшвш напруження на стискання зразив исток дослшних груп знаходились в межах 71,8— 79,8 МПа (рис. 6).
Аналiзуючи рис. 3-6, можна вшмгтити бшьшу мщшсть при напруженш на стискання исток дослшних груп, у яких проводилось оперативне втручання з iмплантацieю металевих стрижшв (максимальш навантаження становили 1340-1488 Н, руйшвш напруження — в межах 71,8-79,8 МПа), по-рiвняно з истками контрольно! групи, у япй оперативне втручання не проводилося (максимальш навантаження — 1100-1500 Н, руйшвш напруження — 59-62 МПа). Найбшьшу мщшсть мали зразки исток четверто! ^з металофшсатором з Р-/г-Т1-сплаву) групи спостереження — рiвень руйшвних напружень становив 79,8 МПа. Про бшьшу мщшсть при напруженш на стискання исток дослшних груп порiвняно з истками контрольно! групи також свшчить характер руйнування исток експе-риментальних тварин.
При випробуваннях зони регенерату истково! тканини (зрощений перелом шдвертлюгово! дь лянки) на стискання на вшмшу вш здорових исток фшсувалося розшарування зовшшнього кортикального шару з напрямком розшарування до середини истково! мозолi з проксимального та дистального
Рисунок 3. Типова д'тграма деформування кстки тварини контрольно)'групи на стискання
Рисунок4. Руйн'тш напруження на стискання зразк'в к'кток контрольно)' групи
Рисунок 5. Типова д'шграма деформування KicmoK тварин до^днихгруп на стискання
напрямшв. Деформування мало суто пружний характер.
Висновки
1. За результатами випробувань установлено, що бюмехашчт показники роботи шстки на розтягання поступаються бюмехашчним показникам при стисканш.
2. Базуючись на аналiзi результат мехашчних випробувань та натурного руйнування при навантаженш на розтягання та стискання, можна вщмггати, що опе-рованi кустки з наявшстю металофiксаторiв мають зна-
Рисунок 6. Руйн'тш напруження зразк'т на стискання i3 к'кток до^днихгруп: 1 — друга група (оперована к'ктка з металофксатором i3 нержав'ючо! сталi 316L);
2 — третя група (оперована к'ктка з фксатором i3 сплаву ВТ-6); 3 — четверта група (оперована к'ктка з металофксатором i3 ß-Zr-Ti-сплаву)
чно бтьшу мщшсть у зон зрощеного перелому, шж ыстки контрольно!' групи.
3. При дослщжент роботи ысткового регенерату (зрощеного перелому) на розтягання та стискання найкращi результати мщносп визначеш в зразках исток iз наявшстю металофшсатора з ß-Zr-Ti-сплаву.
4. Проведене бюмехашчне дослщження доводить до-цтьнють розробки та впровадження в клiнiчну практику травматологiв-ортопедiв iмплантатiв на основi низь-комодульного ß-Zr-Ti-сплаву, що дозволить полшшити результати лiкування переломiв довгих исток та змен-шити вщсоток шсляоперацшних ускладнень. ■
Список лiтератури
1. Александер Р. Биомеханика / Р. Александер. — М.: Мир, 1970. — 340 с.
2. Анатз стану травматолопчно-ортопедично! допомоги населенню Укра!ни в 2006—2007 рр. Довщник / Гайко Г.В., Корж М.О., Калашшков А.В., Герасименко С.1., Полт-ко В.П. — К.: Видавнича компашя «Воля», 2008. — 134 с.
3. Анатз структури первинно! швалщносп та чинник1в li формування при травмах инщвок в умовах великого мюта / Гайко Г.В., Калашшков А.В., Боер В.А. та ш. // Мат-ли на-уково-практично! конференци з м1жнародною участю «Ме-дико-сощальна експертиза i реабiлiтацiя хворих внаслщок травм i захворювань опорно-рухового апарату». — Дншропе-тровськ: 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. До-рожкин, 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. Калашшков А.В. Розлади репаративного остеогенезу у хворих i3 переломами довгих исток ^агностика, прогно-зування, лшування, профшакгика): Дис... д-ра мед. наук: 14.01.21 / Калашшков Андрш Валершович. — К., 2003. — 284 с.
10. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеоге-нез. 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., Чубен-ко А.В., Бабич П.Н. — К.: Морион, 2000. — 320 с.
12. Науково-практичш рекомендаци з утримання лабо-раторних тварин та робота з ними / Кожем'якш Ю.М., Хромов О.С., Фшоненко М.А., Сайдетдшова Г.А. — К.: Авщена, 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. Stag-ni et al. // J. Bone Surg. — 2007. — Vol. 89, № 11. — P. 24132420.
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. Wa-ki, K. Kuroda et al. // J.Biomaterials and Nanobiotechnology. — 2013. — Vol. 4. — P. 229-236.
Отримано 16.10.15 ■
Юхимчук О.А.2, Калашников А.В.1
1ГУ«Институт травматологии и ортопедии НАМН
Украины», г. Киев
2Киевская городская клиническая больница № 7
Механические свойства регенерата зоны перелома бедренной кости при применении имплантатов с различным модулем упругости
Резюме. 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 подвер-тельной области перелом с последующим металлоосте-осинтезом металлическими стержнями. Животным второй группы был выполнен металлоостеосинтез стержнем из нержавеющей стали (316L), третьей — из титано-вана-диевого (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 ß-Zr-Ti-сплава. Проведенное исследование доказывает целесообразность разработки и внедрения в клиническую практику травматологов-ортопедов имплантатов на основе низкомодульного ß-Zr-Ti-сплава, что позволит улучшить результаты лечения переломов длинных костей и уменьшить процент послеоперационных осложнений.
Ключевые слова: кость, циркониево-титановый сплав, механические свойства, костный регенерат.
Yukhymchuk O.A.2, Kalashnikov A.V.'
'State Institution «Institute of Traumatology and Orthopedics of National Academy of Medical Sciences of Ukraine», Kyiv 2Kyiv City Clinical Hospital № 7, Kyiv, Ukraine
Mechanical Properties of the Regenerate from Femoral Fracture Zone with the Use of Implants with Different Modulus of Elasticity
Summary. 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 P-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 P-Zr-Ti alloy that will improve the results of treatment for long bone fractures and reduce the postoperative complications rate.
Key words: bone, zirconium-titanium alloy, mechanical properties, bone regenerate.
