Введение к работе
. Актуальность проблемы
В семидесятых годах в Сибирском физико-техническом институте (г. Томск) на стыке физики твердого тела и медицины возникло и получило свое развитие новое научное направление, связанное с исследованием, разработкой и применением в медицине нового класса имплантируемых в организм материалов - сплавов с памятью формы, проявляющих эффекты памяти формы и сверхэластичности.
Основой сплавов является интерметаллическое соединение титана и никеля - никелид титана. В высокотемпературном состоянии сплавы обладают достаточной пластичностью и им можно придавать необходимую геометрическую форму. После деформации при низкой температуре и последующем нагреве выше интервала фазового перехода сплавы восстанавливают свою исходную (заданную) форму. Это свойство позволяет имплантируемой металлоконструкции развивать необходимые усилия на сжатие или растяжение тканей.
Имплантанты, изготовленные из сплавов с памятью формы, открывают в медицине принципиально новые возможности лечения: они могут изменять свою форму при изменении температуры, развивать значительные усилия при восстановлении формы, находиться в сверхэластичном состоянии в изотермических условиях, не разрушаться при многократной знакопеременной деформации.
Создавая имплантат. можно идти к достижению цели двумя путями. Первый - копировать существующие конструкции, изменяя лишь материал.
Второй путь создания имплантатов - это ориентация на материал с памятью формы как на принципиально новый медицинский материал, позволяющий разрабатывать принципиально новые по функциональным проявлениям имплантируемые конструкции.
Поскольку обеспечение достаточной долговечности и эффективного функционирования имплантатов является центральной проблемой медицины и техники, необходимо в максимальной степени* учесть при их создании все биомеханические и биохимические факторы функционирования. Самый распространенный подход, который используется в проблеме имплантации,- поиск и подбор известных наиболее прочных и коррозионностойких материалов для изготовления имплантируемых конструкций.
Такой подход во многих случаях приводит к неудачам. Наибо-
лее типичной при этом оказывается ситуация, когда после имплантации указанные материалы деформируются в результате циклических воздействий, а окружающие имплантат биологические ткани разрушаются. Таким образом, погоня специалистов по имплантологии за прочными и коррозионностойкими металлическими материалами из числа существующих привела, прежде всего, к их отступлению от,биологических требований живого организма. Сегодня проблема стоит не в выборе универсального металлического материала для имплантации, в том числе и сплавов с памятью формы, а в разработке эффективных материалов для каждой конкретной медицинской задачи, то есть встает вопрос о создании функциональных металлических имплантагов с особыми свойствами. И здесь принципиальным является свойство сверхэластичности этих имплантатов.
Сотрудниками СФТИ было установлено, что наряду с гибкостью и иязкостью костная ткань проявляет в изотермических условиях эластичные свойства, то есть характеризуется значительной { более 21) обратимой деформацией. Именно механическое резиноподоб-нов поведение тканей организма объясняет ряд противоречий в имплантологии, когда, несмотря на десятикратный запас прочности и высокий модуль упругости, имплантированные металлические фиксаторы все-таки разрушались. Отсутствие при нагрузке и разгрузке большой обратимой деформации, соответствующей по величине живым тканям,- одна из основных причин разрушения металлических имплантатов.
Среди существующих материалов только сплавы с памятью формы проявляют в изотермических условиях аналогичные по величине резиноподобные свойства.
Высокая стабильность физико-механических характеристик сплавов с памятью формы в течение длительного времени и возможность програмного управления параметрами формоизменения позволяют создать имплантаты с "памятью", которые не только выполняют возложенную на них функциональную задачу, но и являются неотъемлемой частью структуры организма.
Следует специально подчеркнуть, что выбор материала и констукции взаимосвязан, так что эффективность использования нмплантата в равной мере зависит от свойств как конструкции, так и материала.
Как будет показано далее, для каждой задачи требуются спе-
цифические материалы с характерным комплексом свойств памяти формы, сверхэластнчности. циклостойкости. прочности и т.д. Поэтому проблема состоит в использовании материалов и конструкций, изготовленных из них. в соответствии с конкретными медико-техническими требованиями.
С внедрением никелида титана в различные разделы медицины перед вертебрологами встала задача создания нового класса функциональных металлоконструкций для решения проблемы коррекции деформации и стабилизации позвоночника.
Начиная с 60-х годов в клинике травматологии Новосибирского НИИ травматологии и ортопедии при лечении переломов тел позвонков определились 2 направления. Одно из них касается задней внутренней фиксации поврежденного отдела позвоночника, другое -передней стабилизации (Цивьян Я.Л.. 1971).
Метод задней внутренней фиксации позвоночника стяжкой Цивьяна-Рамиха получил в стране очень широкое распространение как метод, гарантирующий надежную фиксацию поврежденного отдела позвоночника, раннюю медицинскую и социальную реабилитацию.
Однако, с появлением никелида титана появилась возможность по-новому оценить все его достоинства и выявить недостатки, которые оказалось возможным устранить именно благодаря новому материалу.
Основным недостатком фиксатора Цивьяна-Рамиха является отсутствие в нем эластичных свойств, с чем и связано, в конечном итоге, снижение корригирующих свойств конструкции.
Некоторые авторы (Weiss М, 1975; Weiss М. Bentkowski Z.T.. 1974: Kiwerskl J., Armand S.H., 1983: Kiwerski J., 1989) создали эластические пружинные фиксаторы, которые они применяют не только при компрессионных переломах, но и дислокациях позвонков.
Однако, основным недостатком этих устройств является их громоздкость, а также ограниченная надежность вследствие склон-, ности пружины терять свои упруго-эластические свойства со временем.
Поэтому мы видим перспективы развития метода задней внутренней фиксации в усовершенствовании как фиксатора, так и самого метода в целом, используя никелид титана.
Профессором Я.Л.Цивьяном и его школой сделан основополага-
кщиЛ вклад в решение проблемы лечения переломов позвоночника.
В повседневную клиническую практику широко внедрены разработанные им методики переднего спондилодеза. такие как частичное, субтотальное или тотальное замещение тела позвонка, передний срединный спондилодез и т.д. Однако, эти методики предполагают необходимость длительного периода постельного режима и последующей внешен иммобилизации корсетом в течение 4-12 месяцев, в зависимости от уровня спондилодеза.
Поэтому с целью сокращения сроков лечения за счет более надежной фиксации костных трансплантатов предлагались различные варианты изменения конфигурации их концов (Я.Л.Цивьян, а.с. Н 862933; Н.Н.Хвисюк с соавт.. а. с. N833226,фиксация трансплантата винтами из адвокссти (Р.И.Карих, а.с.Н 1119875), фиксация трансплантата клеем (В.К.Соленый с соаві.. а.с.К 1119667). лигатурами (Б.М.Церляк, а.с. N 513595). фиксация трансплантата и поврежденного сегмента (сегментов) позвоночника винтами, пластинками (Caspar W., 1985; David J. et al., 1991; Haas H. et al., 1991; Pasquale X. et al, 1991 и др.), двух-лопастной пластинкой (по типу скобя) (Rao S.C., 1991), передают дистрагирую-щими устройствами (Kostuik J. et nl., 1988-1989 и др.). Что же касается использования фигурных трансплантатов, клея, лигатур, то эти метода не создают надекную фиксацию, в связи с чем таким больным требуется внешняя иммобилизация. Винты иногда мигрируют, что чревато повреждением внутренних органов.
Передние дистракторы - это довольно массивные устройства, установка которых травматична, не устраняется ротационная нестабильность за счет движений стержня в гнезде винта, иногда развиваются аневризмы аорты. В значительном проценте случаев ломаются винты (Kostuik J.. 1988). В связи с этим они не нашли широкого применения.
Однако, основным недостатком всех существующих металлоконструкций является отсутствие в них упруго-эластических свойств, что и приводит, в конечном счете, к их расшатыванию в своих гнездах, к миграции и переломам.
В 1984 г. профессор Я.Л.Цивьян осуществил переднюю фиксацию позвоночника на уровне Thll - L1 позвонков после костнопластического замещения тела сломанного Ш2 позвонка предложенным нами устройством с термомеханической памятью формы (Больной К.,
23 лет, история болезни Но 2012/84).
Эффективность операции была очевидной в связи со значительным сокращением сроков стационарного и амбулаторного лечения, ранней социальной реабилитацией больного.
Кроме того, работая с тяжелейшим контингентом больных с позвоночно-спинноиозговой травмой, мы столкнулись с необходимостью передней внутренней фиксации позвоночника после выполненной передней открытой или закрытой декомпрессии спинного мозга. Однако в стране не налажен промышленный выпуск металлоконструкций для этих цзлей. Это не позволяло широко применять радикальные вмешательства на передних отделах позвоночника, ибо после таких вмешательств больные были обречены на абсолютную яеподвижность на длительней период времени, в течение которого естественные репаративные процессы стабилизируют оперированный отрезок позвоночника. Как раз этот период оказывался самим уязвимым для больного вследствие тяжелых осложнений.
Все вышеизложенное и побудило нас к изучении проблема передней внутренней фиксации позвоночника устройствами с памятью формы.
Прогресс в области реконструктивно-восстановнтелыюй хирургии побудил к поиску и широкому использованию конструкций из искусственных материалов.
В частности, в вертебрологии эта проблема включает в себя созг^яие имплантатов для замещения тел сломанных позвонков прк их опухолевом поражении, а также для стабилизации сегментов позвоночника, как например, при меясяозвоиковом остеохондрозе.
Безусловно, лучшим пластическим патериалом является ауто-кость. Однако, бывают ситуации, когда использование ее проблематично и не всегда отвечает задаче достижения надежной стабилизации сегментов позвоночника. Существующие имплантаты из ал-локости. пористой керамики, из пористых углеродистых материалов, титана, биополимеры далеко не всегда отвечают необходимым требованиям. От всех известных искусственных материалов выгодно отличается пористый никелид титана, имеющий физико-механические свойства, близкие к параметрам костной ткани (размеры пор, общие закономерности эластического поведения).
В отличие от упомянутых пористых материалов пористые проницаемые сплавы на основе никелида титана вбЯадают оптимальным
сочетанием удельного веса, прочности и пластичности, износо- и циклостойкости, значительным сопротивлением усталости, особенно в сверхэластичном состоянии при малых степенях деформации (Итин В.И.. Гинтер В.Э. и др., 1989). Однако существующие единичные публикации по применению пористого никелида титана в вертебро-логии (Г.С.Пахоменко, 1989; П.А.Савченко и др.. 1989 ) не дают полного представления о поведении этого материала в организме.. Поэтому один из разделов нашей работы посвящен этой проблеме.
Цель работы
Целью настоящего исследования является разработка способов коррекции и стабилизации корригированных деформаций позвоночника функциональными материалами и конструкциями с памятью формы, сокращение сроков лечения.
Задачи исследования:
Исходя из цели работы, перед нами ставились следующие задачи:
-
Разработать технические средства коррекции и фиксации позвоночника для лечения непроникающих преломов тел нижних грудных и поясничных позвонков.
-
Разработать технические средства передней внутренней фиксации позвоночника для лечения проникающих переломов тел шейных, грудных и поясничных позвонков.
-
Разработать технические средства для переднего спондилодеза из пористого никелида титана.
-
Изучить физико-механические свойства устройств из никелида титана и дать биомеханическое обоснование их применения на передних и задних отделах позвоночника.
-
Изучить в эксперименте и клинике возможности применения никелида титана на передних отделах позвоночника:
-
Исследовать морфогенез формирования переднего костного блока в соответствии со сроками структурной адаптации при использовании устройства из никелида титана в качестве фиксатора костного аутотрансплантата.
-
Изучить морфогенез формирования костно-металлического блока после вентрального спондилодеза имплантатом из пористого
никелида титана.
6. Подвергнуть анализу клинический материал, касающийся
применения устройств из гибкого никелида титана:
-
При лечении непроникающих переломов тел нижних грудных и поясничных позвонков.
-
При лечении проникающих переломов тел шейных, грудных и поясничных позвонков с целью фиксации трансплантата.
-
Подвергнуть анализу клинический материал, касающийся применения устройств из пористого никелида титана.
-
Разработать систему послеоперационной реабилитации больных с повреждениями позвоночника в зависимости от характера фиксации.
-
Изучить вопросы социальной реабилитации после хирургического лечения предлагаемыми способами.
10. Определить перспективы дальнейшего использования нике
лида титана в вертебрологии.
Научная новизна исследования состоит в разработке способов коррекции и стабилизации корригированных деформаций позвоночника с помощью нового класса функциональных металлоимплаитатов на основе никелида титана, обладающего эффектом памяти формы и сверхэластичностью. На основании разработанных принципиально новых устройств существенно усовершенствованы известные и разработаны новые методы лечения непроникающих и проникающих переломов тел позвонков, обеспечивающие раннюю реабилитацию пациентов.
В эксперименте изучены адаптативные процессы и их сроки в процессе формирования переднего костного блока при использовании металлоконструкций из никелида титана. С целью оптимизации формы конструкции проведены их механические испытания и математические рассчеты.
Разработана система послеоперационной реабилитации больных с повреждениями позвоночника в зависимости от характера фиксации. Проанализированы причины ошибок и осложнений, указаны способы их профилактики и устранения.
Определены перспективы дальнейшего использования никелида титана в вертебрологии.
Практическая значимость исследования состоит в повышении эффективности хирургического лечения боль-
ных с повреждениями позвоночника за счет надежной первичной ранней стабилизации поврежденного отдела, и в связи с этим возможности ранней медицинской и социальной реабилитации.
Предложенные оригинальные конструкции и способы лечения в определенной мере обеспечивают снижение операционной травматич-кости, сокращают сроки стационарного и амбулаторного лечения, снижают выход на инвалидность, а в ряде случаев являются безальтернативными, определяющими возможность выживания пациентов.
Разработанные устройства из никелида титана и способы лечения повреждений (а также некоторых заболеваний) позвоночника найдут применение в работе специализированных травматологических к нейрохирургичесіліх отделений и центров.
Написаны методические рекомендации. Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на:
1. Всесоюзной научной конференции "Сверхупругость, эффект
.памяти формы и их применение в новой технике", Томск, 1985 г.
-
Пленуме проблемной комиссии СО АМН СССР "Хирургия", Новосибирск. 1986 г.
-
I Всесоюзной конференции "Эффекты памяти формы и сверхэластичности и их применение в медицине", Томск, 1989.
-
V Всероссийском съезде травматологов-ортопедов. Ленинград, 1990.
-
IX Европейском конгрессе нейрохирургов. Москва, 1991.
-
I международном конгрессе "Использование материалов с памятью формы в медицине". Любек, Германия, 1992.
-
Клинической конференции в ортопедической клинике университета г.Тюбингена. Германия, 1992.
-
Клинической конференции в ортопедической клинике г.Ган-новера, Германия, 1992.
-
Клинической конференции в ортопедической клинике медицинского центра г.Беер-Шеба, Израиль. 1993.
-
Клинической конференции в ортопедической клинике медицинского центра Тель-Хашомер Тель-Авивского университета, Израиль. 1993.
-
Клинической конференции в ортопедической клинике медицинского центра Ассаф Харофе Тель-Авивского университета, Изра-
иль. 1993.
-
Клинической конференции в ортопедической клинике медицинского центра Кфар-Саба, Израиль. 1993.
-
19 Всемирном конгрессе SICOT, Сеул, 1993.
Материалы диссертации доложены также на межобластных, научно-практических конференциях в г.Харькове. 1988 г.. г.Новосибирске, 1991 г., Новокузнецке. 1991. 1992. 1993 г.г.. на заседаниях Новосибирского общества травматологов. 1991 г. и нейрохирургов. 1992 г.
Разработанные способы лечения повреждений позвоночника применяются в нейрохирургическом отделении 1 городской больницы г.Томска, в клинике травматологии Новокузнецкого ГНДУВа. в нейрохирургической клинике ортопедического центра реабилитации инвалидов г.Новокузнецка, в травматологической клинике Кемеровского мединститута, в клинике травматологии Новосибирского НИИТО.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 научные работы. Получено 7 авторских свидетельств на изобретение. Опубликована монография.
Объем и структура работы Общий объем диссертации составил 303 страницы машинописного текста. Работа содержит 12 таблиц, 86 рисунков, представлена в одном томе и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, указателя литературы, приложения.
Похожие диссертации на Лечение повреждений и заболеваний позвоночника функциональными материалами и конструкциями с памятью формы
![Лечение повреждений дистальных метаэпифизов берцовых костей имплантатами с памятью формы (экспериментальное и клиническое исследование) [Электронный ресурс]](/i/i/4407/207480.png "Лечение повреждений дистальных метаэпифизов берцовых костей имплантатами с памятью формы (экспериментальное и клиническое исследование) [Электронный ресурс] Клепиков Сергей Александрович")
