Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор данных литературы 12-43
Глава II. Материалы и методы исследования 44-68
2.1. Общая характеристика углеродных материалов 44-48
2.2. Общая характеристика эксперимента 48-51
2.3. Общая характеристика больных. Методы исследования 52-68
Глава III. Экспериментальное обоснование применения углеродных материалов нового поколения
3.1. Построение биомеханической модели поведения костной ткани при взаимодействии с имплантатом из углеродного материала
3.2. Исследования углеродных материалов в эксперименте на животных
Глава IV. Высокопористый ячеистый углерод при замещении дефектов губчатой кости
4.1. Пористый углерод в лечении переломов мыщелков болынеберцовой кости
4.2. Высокопористый ячеистый углерод при замещении дефектов губчатой кости редкой локализации
Глава V. Применение углерод-углеродного композиционного материала
5.1. Углерод-углеродный композиционный материал при замещении дефектов костей свода черепа
5.2. Трудности, ошибки и осложнения при замещении дефектов костей и суставов углеродными имплантатами Обсуждение результатов исследования 184-194
Выводы 195-196
Рекомендации практическому здравоохранению 197s
Список литературы 198-215
- Общая характеристика эксперимента
- Исследования углеродных материалов в эксперименте на животных
- Высокопористый ячеистый углерод при замещении дефектов губчатой кости редкой локализации
- Трудности, ошибки и осложнения при замещении дефектов костей и суставов углеродными имплантатами Обсуждение результатов исследования
Введение к работе
Актуальность темы
Современная реконструктивная хирургия опорно-двигательной системы не мыслится без широкого использования пластического замещения дефектов костей и суставов. Простота имплантации искусственных материалов, уменьшение травматичности и длительности вмешательства создали определённую альтернативу костно-пластическим операциям [Жадёнов И.И. и соавт., 2006; Жердев К.В., 2007; Pflugmacher R. et al., 2004; Schroder J. et al., 2001].
К современным материалам, используемым для замещения костной ткани, предъявляют большие требования. Они должны быть инертны по отношению к живым тканям, не канцерогенны, иметь достаточный запас механической прочности, быть стойкими к воздействию внутренней среды организма. Немаловажное значение имеет простота стерилизации и отсутствие значительных затрат при их производстве [Вильямс Р., 1978; Костиков В.И. и соавт., 2003; Григорьян А.С. и соавт., 2003; Stefan Rammelt et al., 2004].
Имеющиеся сегодня материалы, применяемые для замещения дефектов костей и суставов, достаточно хорошо себя зарекомендовали. Вместе с тем, возможность получения единой биомеханической системы кость-имплантат, остаётся до конца не решённой [Григорьян А.С. и соавт., 2003; Костиков В.И. и соавт., 2003; Baker D. et al., 2004; Briem D. et al., 2002; Pflugmacher R. Et al., 2004].
В 60-е годы в качестве искусственного материала специалисты начали применять углерод. Главное его достоинство – инертность по отношению к живым тканям [Беляков М.В., 2006; Baker D. et al., 2004]. Однако, механические свойства обычного углеродного материала не позволили применять его в условиях значительных и даже умеренных механических нагрузок.
Возвращение интереса к углероду обусловлено созданием нового поколения углеродных материалов, механические свойства которых могут быть заданными и регулироваться в значительных пределах. Возможность моделирования свойств углеродных материалов соответственно параметрам нативной костной ткани позволяет рассматривать биомеханическую систему кость-имплантат как единое целое [Бурлаков С.В., 2009.; Рапекта С.И., 2008; Хоссаин М. и соавт., 2002.].
Однако до настоящего времени не создана биомеханическая модель взаимодействия углеродных материалов и кости. Не уточнены сроки формирования костно-углеродного блока при замещении костных дефектов, не определены варианты применения углеродных материалов в клинике.
Цель исследования
Изучить возможности, особенности и перспективность применения углеродных материалов нового поколения при замещении дефектов костей и суставов в эксперименте и клинической практике.
Задачи исследования
-
Изучить взаимодействие костной ткани с углерод-углеродным композиционным материалом и высокопористым ячеистым углеродом в эксперименте.
-
Исследовать возможности математического моделирования взаимодействия углеродного материала нового поколения и костной ткани в диагностике критических напряжений на месте их контакта.
-
Определить надежность и сроки формирования костно-углеродного блока, особенности и варианты применения углеродных материалов нового поколения в клинической практике.
-
Обосновать показания и перспективность замещения дефектов губчатой костной ткани высокопористым ячеистым углеродом при импрессионных переломах.
-
Дать принципиальную оценку возможности замещения дефектов губчатой кости высокопористым ячеистым углеродом после удаления опухолей и опухолеподобных образований.
-
Исследовать возможности применения углерод-углеродного композиционного материала для создания несущей конструкции эндопротезов и имплантатов, не испытывающих значительной механической нагрузки.
-
Провести анализ трудностей, ошибок и осложнений применения углеродных материалов в клинической практике.
Научная новизна
Изучены и применены в клинической практике два варианта углеродных материалов нового поколения: углерод-углеродный композиционный материал и высокопористый ячеистый углерод.
Разработана математическая модель нагруженности проксимального отдела бедра в обычном анатомическом режиме и при эндопротезировании тазобедренного сустава.
Впервые реализована идея протезирования проксимального отдела бедра углерод-углеродным композиционным материалом со структурой и модулем упругости, близкими к нативной кости (патент РФ № 2063729 на изобретение "Эндопротез бедренной кости" от 20 июля 1996 г.). В 1997 году это изобретение было отмечено золотой медалью и дипломом на Международной выставке в Брюсселе (Eureca* 97).
Впервые предложен эндопротез проксимального отдела бедра из углерод-углеродного композиционного материала (патент РФ № 2116058 на изобретение "Эндопротез бедренной кости" от 27 июля 1998 г.). На Международной выставке 1998 года в Женеве изделие удостоено диплома и серебряной медали.
Протез межфалангового сустава также был разработан и внедрён впервые (патент РФ № 2076668 на изобретение «Эндопротез межфалангового сустава» 10 апреля 1997 года). Имплантат в 1998 году отмечен дипломом и серебряной медалью Международной выставки в Брюсселе.
Всесторонние исследования углеродных материалов в эксперименте (биохимическое, токсикологическое) позволили применить их в клинических условиях.
Доказано, что высокопористый ячеистый углерод прорастает костной тканью, образуя прямое прочное соединение без соединительнотканной прослойки. Данное положение подтверждено микроскопическими исследованиями костно–углеродных шлифов в отражённом свете светового и электронного микроскопа.
Установлено, что при высокой пористости костные балки, прорастающие имплантат, повторяют или воспроизводят структуру губчатой кости, и дифференцировать имплантат и нативную кость в отдалённом периоде не представляется возможным
Выявлено, что после удаления костных опухолей не возникает опасности гиперплазиогенного эффекта вследствие абсолютной инертности углеродных материалов.
Показано, что углеродные материалы не препятствуют пространственному расположению фиксаторов вплоть до возможности проведения их через имплантат.
Изучено, что имплантаты из углерод-углеродного композиционного материала не уступают по своим механическим и биологическим характеристикам другим искусственным материалам, но значительно ниже по себестоимости.
Практическая значимость работы
Использование в реконструктивной хирургии опорно–двигательного аппарата углеродных материалов не требует повторных операций для их удаления.
Высокопористый ячеистый углерод по его биологическим и биомеханическим характеристикам можно рекомендовать как материал выбора при пластике дефектов губчатой кости различной этиологии. Его применение уменьшает, а в ряде случаев полностью ликвидирует потребность в аутотрансплантации костной ткани.
Углерод-углеродный композиционный материал положительно зарекомендовал себя при пластике дефектов плоских костей. Через 3 месяца после операции наступает биологическая фиксация имплантата за счёт врастания костной ткани в поверхностные поры материала. Это обеспечивает длительную стабильность системы кость - имплантат.
Образование зон критического напряжения, ведущее к резорбции костной ткани, определяется не только величиной модуля упругости имплантируемой конструкции, но и его изменением на протяжении. Применение на практике метода конечных элементов при компьютерном моделировании поведения костной ткани позволяет прогнозировать нестабильность имплантируемых конструкций и длительность их существования.
Положения, выносимые на защиту
-
Углерод-углеродный композиционный материал и высокопористый ячеистый углерод инертны по отношению к живым тканям и могут быть использованы для замещения дефектов костной ткани.
-
Математическое моделирование взаимодействия костных структур с ножкой эндопротеза тазобедренного сустава показало, что для равномерного распределения нагрузок вокруг имплантата последний должен иметь переменный модуль упругости.
-
Высокопористый ячеистый углерод - пластический материал, применение которого целесообразно при заполнении дефектов губчатых костей. Имплантаты из ВПЯУ легко обрабатываются интраоперационно, прорастают костью на всю глубину, обеспечивая надёжную стабильность, восстанавливая архитектуру эпиметафизарной зоны.
-
Использование углерод-углеродного композиционного материала возможно при замещении дефектов плоских и длинных трубчатых костей.
Внедрение в практику
Основные положения научного исследования внедрены в работу травматологического и ортопедического отделений МУЗ «МСЧ № 9 им. М.А. Тверье» г. Перми, нейротравматологического отделения МУЗ «ГКБ № 1» г. Перми, травматологического отделения МУЗ «ГКБ № 4» г. Перми, травматологическго отделения Городской больницы имени Е.А. Вагнера г. Березники Пермского края, травматологического отделения МУЗ «Городская больница» г. Кунгур Пермского края, травматологического отделении МУЗ «Городская больница» г. Соликамск Пермского края, травматологического отделения МУЗ «Городская больница» г. Чусовой Пермского края, «Городской больницы № 23» г. Екатеринбурга, травматологического отделения Кировской областной клинической больницы № 3.
Результаты исследования используются в учебном процессе на кафедрах травматологии, ортопедии и военно-полевой хирургии, госпитальной хирургии, хирургии факультета повышения квалификации и профессиональной переподготовки специалистов ГОУ ВПО «Пермская государственная медицинская академия им. ак. Е.А. Вагнера Росздрава», на кафедре травматологии, ортопедии и военно-полевой хирургии ГОУ ВПО «Ижевская государственная медицинская академия Росздрава», на кафедре травматологии, ортопедии и военно-полевой хирургии ГОУ ВПО «Челябинская государственная медицинская академия Росздрава», на кафедре травматологии, ортопедии и военно-полевой хирургии ГОУ ВПО «Уфимская государственная медицинская академия Росздрава».
Результаты научной работы нашли своё отражение в методических рекомендациях "Современные концепции диагностики и хирургической коррекции повреждений костных структур опорно-двигательной системы при сочетанных повреждениях". - Пермь. - 2010. - 26 с.
Апробация работы
Материалы диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских, республиканских и межрегиональных конференциях: Всероссийской конференции «Актуальные вопросы травматологии ортопедии» (Москва, 1995), третьей Всероссийской конференции по биомеханике (Нижний Новгород, 1996), IV съезде травматологов ортопедов России (Нижний Новгород, 1997), юбилейной научной конференции, посвящённой 50-летию онкологической службы Пермской области (Пермь, 1997), научной конференции «Современные технологии в травматологии и ортопедии» (Москва, 1999), научно-практической конференции «Искусственные материалы и новые технологии в клинической медицине» (Пермь, 2000), первом съезде травматологов-ортопедов Уральского ФО (Екатеринбург, 2005), 7-ом съезде травматологов ортопедов России (Самара, 2006), втором съезде травматологов-ортопедов Уральского ФО (Курган, 2008).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 9 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией РФ 3 из них патенты РФ на изобретения, 1 монография в соавторстве.
Структура и объём диссертации
Диссертация изложена на 215 страницах и состоит из введения, обзора литературы, 4-х глав результатов собственных исследований, заключения, выводов, практических рекомендаций и библиографического указателя, включающего 175 источников, из них 113 отечественных и 62 зарубежных. Работа иллюстрирована 100 рисунками и 22 таблицами.
Личный вклад автора
Личное участие автора выразилось в определении основной идеи работы, её планировании, формировании цели и задач.
Автором лично выполнены 96 наиболее сложных операций с применением углеродных материалов, проведены клинические обследования больных, инструментальные исследования. При его личном участии была выполнена экспериментальная часть работы. Автор самостоятельно изготовил все шлифы костных препаратов, выполнил макросъёмку и микросъёмку в отражённом свете. Принимал активное участие в анкетировании и диспансерном наблюдении за пациентами в течение последних 10-ти лет. Вся полученная информация проанализирована, систематизирована и обработана статистически лично автором.
Общая характеристика эксперимента
Конец второго тысячелетия изобилует публикациями, посвященными аллопластике костных дефектов. Многочисленные публикации середины и конца прошлого века были посвящены изучению поведения кости, пересаженной не только от человека к человеку, но и от животных к человеку. Казалось, что травматологи в ближайшее время решат проблему замещения костной ткани. Однако со временем полученные результаты заставили пересмотреть подход к таким операциям.
Судьба пересаженных аллотрансплантатов примерно такая же, как и у аутотрансшгантатов. Burwel R.G. (1966) установил, что все аллотрансплантаты имеют индивидуальные биологические особенности и способны вызывать изменения в окружающих тканях и на отдалении [127]. Большинство авторов пришли к заключению, что костные трансплантаты всех видов постепенно рассасываются и замещаются вновь образованной костью. Пересаженная ткань подвергается в большей или меньшей степени дегенеративным изменениям, которые главным образом и обуславливают конечный результат пересадки [4, 139, 140; 152]. В отличие от сравнительно быстрой перестройки, ведущей к замещению аутотрансплантатов собственной костью, аллотрансплантаты подвергаются этому процессу значительно медленнее [16; 47; 58]. Использование больших аллотрансплантатов показало, что они вообще не перестраиваются, а ведут себя как протезы кости, имея при этом все недостатки чужеродной ткани [16, 27; 47]. В с пересаженном (свежем) костном аллотрансплантате гибнут остеоциты,. остеобласты, клетки красного костного мозга и рассасывается jf межклеточное вещество. Деструкция сопровождается одновременным продуцированием костной ткани остеогенным камбием ложа, куда был -. внедрен трансплантат [27, 99, 102]. Поведение деминерализованного матрикса свидетельствует о том, что он не проявляет остеоиндуктивных свойств, ведёт себя пассивно, выполняя лишь слабовыраженную заместительную функцию, которая свойственна и другим видам пластического материала [143]. Прочность таких трансплантатов достаточно низка [104; 139]1 Любой пересаженный костный аллотрансплантат остается либо инородным телом, отделенным от тканей донора соединительной тканью, либо подвергается замещению, что существенно ограничивает его применение в клинике [90].
Остается актуальной проблема консервации. Трупный материал в большинстве случаев из-за значительного времени до вскрытия, наличия вирусной, бактериальной, микоплазменной контаминации, а также этико-правовых аспектов часто не соответствует тем требованиям, которые применяются к имплантатам.
В качестве примера трудности взятия аллотрансплантатов можно-привести критерии Американской Ассоциации банков тканей по отбору доноров: исключение доноров, относящихся к группам риска по медицинским и социальным показаниям; необходимость иметь информацию о предыдущих госпитализациях, эпизодах переливания крови, стиле. жизни; анализ ДНК на наличие ВИЧ-инфекции; тестирование с целью выявления антител к ВИЧ; аутопсия для выявления скрытых заболеваний; тесты для выявления бактериальной контаминации; тесты для выявления сифилиса.
Кроме того, при применении аллотрансплантатов достаточно высок процент осложнений достигающий 17-27%. По данным Стручкова В .И. и соавт. (1984), гнойные осложнения встречаются в -30% случаев [94]. Возможность переноса инфекций-от донора к реципиенту, \У по данным различных авторов, колеблется-от 10 до 22,8% [19] . Больше - -того, недостаточно чёткая юридическая- база во многом ограничивает . , деятельность,костных банков [69, 87].
Низкая эффективность, аллопластики, трудности заготовки и возможный их лизис- и отторжение, угроза передачи вируса-иммунодефицита человека, гепатитов, и других инфекций, трудности подбора донора, стерилизации и хранения костных аллотрансплантатов, морально-этические аспекты требуют поиска новых путей решения проблемы.
На непреодолимое препятствие натолкнулось применение препаратов из лиофилизированной губчатой кости крупного рогатого скота, например, "БИООС", "Остео-серо", "Интерпос", "Биоматрикс" и т.д. из-за неразрешимых проблем вирулентности прионов - носителей болезни Крейцфельда - Якобса. В странах США и ЕС запрещены все препараты, получаемые из костного мозга, губчатой кости, гипофиза и эпифиза крупного рогатого скота. Это обстоятельство заставило Главное санитарное управление МЗ РФ в 2000г. рекомендовать "не применять препараты из кости и мозга крупного рогатого скота и заменить их синтетическими препаратами" (Приказ № 15 от 20.12.2000г.).
Преимуществ замещения костной ткани искусственными материалами видится довольно много: это упрощение оперативного вмешательства, отсутствие вероятности заражения реципиента инфекциями, возможность длительного и простого хранения имплантируемого материала, простые и надёжные способы его стерилизации. В короткий срок количество искусственных заменителей костной ткани значительно выросло, что, в свою очередь, вызвало проблему выбора.
Попробуем систематизировать искусственные материалы, используемые в костной хирургии для замещения дефектов костной ткани. Для этого следует определиться какие дефекты мы собираемся замещать. Большие дефекты кортикальной кости, несущие на себе определённую нагрузку, или дефекты губчатой кости, где важно заполнить дефект до восстановления основной структуры.
Исследования углеродных материалов в эксперименте на животных
Конец второго тысячелетия изобилует публикациями, посвященными аллопластике костных дефектов. Многочисленные публикации середины и конца прошлого века были посвящены изучению поведения кости, пересаженной не только от человека к человеку, но и от животных к человеку. Казалось, что травматологи в ближайшее время решат проблему замещения костной ткани. Однако со временем полученные результаты заставили пересмотреть подход к таким операциям.
Судьба пересаженных аллотрансплантатов примерно такая же, как и у аутотрансшгантатов. Burwel R.G. (1966) установил, что все аллотрансплантаты имеют индивидуальные биологические особенности и способны вызывать изменения в окружающих тканях и на отдалении [127]. Большинство авторов пришли к заключению, что костные трансплантаты всех видов постепенно рассасываются и замещаются вновь образованной костью. Пересаженная ткань подвергается в большей или меньшей степени дегенеративным изменениям, которые главным образом и обуславливают конечный результат пересадки [4, 139, 140; 152]. В отличие от сравнительно быстрой перестройки, ведущей к замещению аутотрансплантатов собственной костью, аллотрансплантаты подвергаются этому процессу значительно медленнее [16; 47; 58]. Использование больших аллотрансплантатов показало, что они вообще не перестраиваются, а ведут себя как протезы кости, имея при этом все недостатки чужеродной ткани [16, 27; 47]. В с пересаженном (свежем) костном аллотрансплантате гибнут остеоциты,. остеобласты, клетки красного костного мозга и рассасывается jf межклеточное вещество. Деструкция сопровождается одновременным продуцированием костной ткани остеогенным камбием ложа, куда был -. внедрен трансплантат [27, 99, 102]. Поведение деминерализованного матрикса свидетельствует о том, что он не проявляет остеоиндуктивных свойств, ведёт себя пассивно, выполняя лишь слабовыраженную заместительную функцию, которая свойственна и другим видам пластического материала [143]. Прочность таких трансплантатов достаточно низка [104; 139]1 Любой пересаженный костный аллотрансплантат остается либо инородным телом, отделенным от тканей донора соединительной тканью, либо подвергается замещению, что существенно ограничивает его применение в клинике [90].
Остается актуальной проблема консервации. Трупный материал в большинстве случаев из-за значительного времени до вскрытия, наличия вирусной, бактериальной, микоплазменной контаминации, а также этико-правовых аспектов часто не соответствует тем требованиям, которые применяются к имплантатам.
В качестве примера трудности взятия аллотрансплантатов можно-привести критерии Американской Ассоциации банков тканей по отбору доноров: исключение доноров, относящихся к группам риска по медицинским и социальным показаниям; необходимость иметь информацию о предыдущих госпитализациях, эпизодах переливания крови, стиле. жизни; анализ ДНК на наличие ВИЧ-инфекции; тестирование с целью выявления антител к ВИЧ; аутопсия для выявления скрытых заболеваний; тесты для выявления бактериальной контаминации; тесты для выявления сифилиса.
Кроме того, при применении аллотрансплантатов достаточно высок процент осложнений достигающий 17-27%. По данным Стручкова В .И. и соавт. (1984), гнойные осложнения встречаются в -30% случаев [94]. Возможность переноса инфекций-от донора к реципиенту, \У по данным различных авторов, колеблется-от 10 до 22,8% [19] . Больше - -того, недостаточно чёткая юридическая- база во многом ограничивает . , деятельность,костных банков [69, 87].
Низкая эффективность, аллопластики, трудности заготовки и возможный их лизис- и отторжение, угроза передачи вируса-иммунодефицита человека, гепатитов, и других инфекций, трудности подбора донора, стерилизации и хранения костных аллотрансплантатов, морально-этические аспекты требуют поиска новых путей решения проблемы.
На непреодолимое препятствие натолкнулось применение препаратов из лиофилизированной губчатой кости крупного рогатого скота, например, "БИООС", "Остео-серо", "Интерпос", "Биоматрикс" и т.д. из-за неразрешимых проблем вирулентности прионов - носителей болезни Крейцфельда - Якобса. В странах США и ЕС запрещены все препараты, получаемые из костного мозга, губчатой кости, гипофиза и эпифиза крупного рогатого скота. Это обстоятельство заставило Главное санитарное управление МЗ РФ в 2000г. рекомендовать "не применять препараты из кости и мозга крупного рогатого скота и заменить их синтетическими препаратами" (Приказ № 15 от 20.12.2000г.).
Преимуществ замещения костной ткани искусственными материалами видится довольно много: это упрощение оперативного вмешательства, отсутствие вероятности заражения реципиента инфекциями, возможность длительного и простого хранения имплантируемого материала, простые и надёжные способы его стерилизации. В короткий срок количество искусственных заменителей костной ткани значительно выросло, что, в свою очередь, вызвало проблему выбора.
Попробуем систематизировать искусственные материалы, используемые в костной хирургии для замещения дефектов костной ткани. Для этого следует определиться какие дефекты мы собираемся замещать. Большие дефекты кортикальной кости, несущие на себе определённую нагрузку, или дефекты губчатой кости, где важно заполнить дефект до восстановления основной структуры.
В опытах на животных установлено, - что дисперсные продукты износа углеродных материалов индифферентны) в;, отношении? тканевых. структур. Наблюдение: в: течение 6 месяцев» за крысами после имплантации мелких частиц углерода (до 20 мкм) в: коленный сустав, периартикулярные ткани, внутрибрюшинно и внутривенно показало, что эти частицы переносятся по кровеносному и лимфатическому руслу к паренхиматозным органам. Частицы . углерода, не оказывая отрицательного воздействия, на окружающие ткани, выводятся: лимфатической системой и: аккумулируются паренхиматозными/ органами; [7; 75; 77; 118]. Гистологическое изучение костной ткани при имплантации в; неё углерода показало увеличение количества макрофагові ж остеокластов, что- рассматривают как биоопределяющую реакцию:на чужеродную ткань. Характерной!для-этой реакций явилась, клеточная пролиферация по ходу, эндостаиь периоста. Клетки; хрящевой? ткани концентрируются вокруг имплантируемого материала. Через 1,5-2. месяца, все гистологические изменения идентичны интермембраннош оссификацищ когда среди костных: балок вокруг имплантата.видны чётко ориентированные остеобласты,[106;. 108; 123; 125]. .-:.,- - ..
С помощью электронной микроскопии было констатировано наличие очень малого расстояния, (1/10 мкм) между имплантируемым углеродом и костью;, что практически не влияло: на; стабильность системы. [75; 123]. Биологическую совместимость углерода объясняют высокой поверхностной энергией: и? большим электроположительным потенциалом. Эти: особенности-приводят к: образованрпо нашоверхности углерода тончайшего белкового слоя,, блокирующего образование. соединительнотканной прослойки [118; 125]. При погружении; углеродной конструкции? с полированной поверхностью в кровь на ней образуется эндотелиоподобный слой. При имплантации в: мягкие ткани углерод покрывается соединительнотканной капсулой, а с костной тканью образует прочное прямое соединение [123].
Непостоянство кристаллической структуры углерода предполагает широкий круг физических свойств. Достаточно вспомнить графит, один из самых мягких материалов, и алмаз, прочность и твёрдость которого хорошо известна. Тем не менее, и тот, и другой по химическому составу являются. чистым углеродом. Изотопный пиролитический углерод, получаемый при относительно низких температурах (менее 1550 градусов по Цельсию) путём разложения метана, обладает удивительной прочностью на усталость и износ. При растяжении он поглощает энергии больше, чем керамические материалы. Воздействие окружающей среды не снижает этих качеств [15; 125]. Модуль упругости пироуглерода низок и находится в диапазоне упругости " костной ткани (20-30 ГПа). Это является большим достоинством -. материала. Деформируясь синхронно с костью, он до минимума снижаег $ образование точек концентрации напряжения [75; 159]. Особенность- "- пироуглерода — способность переносить циклические нагрузки без потери прочности. Этим он выгодно отличается от других материалов; прочность которых при циклических нагрузках резко» снижается, и разрушение наступает уже при малых усилиях [75; 118].
Высокопористый ячеистый углерод при замещении дефектов губчатой кости редкой локализации
Для расчета напряженно-деформированного состояния костной ткани был использован метод конечных элементов [137]. С помощью предложенной математической модели были рассчитаны поля напряжений, возникающих на границе кость-имплантат для различных конструкций эндопротезов (рис. 5). Механические свойства кортикальной кости и элементов конструкции эндопротеза, приведены в таблице 4. 7.
Результаты расчета «нормальных» по отношению к костному каналу напряжений о"п приведены на рис. 6. Результаты расчетов показали, что более равномерное распределение нагрузок вокруг ножки эндопротеза возможно при условии неравномерной жёсткости ножки имплантата. -A
Для исследования влияния геометрической формы ножки эндопротеза на напряженно-деформированное состояние кости была построена пространственная модель бедренной кости человека с установленным имплантатом. Для расчета пространственного напряженно-деформированного состояния системы кость-имплантат использовали метод конечных элементов. Применили тетрагональные элементы с линейной аппроксимацией перемещений и ортогональную декартову систему координат. Ось Y направим вдоль продольной оси бедра, ось Z перпендикулярна фронтальной плоскости и образует с осями X, Y правостороннюю ортогональную систему координат (рис. 7).
Экспериментальному исследованию механических свойств твердых биологических тканей посвящены многочисленные исследования. При расчетах используем данные об анизотропных механических свойствах ,» кортикальной кости полученные в экспериментальной работе [43; 95]. Спонгиозную кость будем моделировать однородным материалом с -изотропными механическими свойствами, взятыми из работы Ueo Т., (1985) [119]. В табл. 5 —7 приведены, необходимые для расчетов, значения материальных констант элементов системы кость-имплантат. X
На наружную поверхность бедренной кости была нанесена разметка разделяющая диафиз бедра на 10 одинаковых участков (рис. 9). наружная сторона Рис. 9. Участки измерений продольных перемещений. Бедренная кость при помощи специально изготовленных подкладок была установлена в физиологическом положении на испытательном приборе 1925ПА-10М (рис. 10) и нагружена силой 3000 N со скоростью 5 мм/мин.
Продольные поверхностные перемещения регистрировались тензодатчиком наружного крепления с базой 25 мм. Измерения проводились с передней, задней, наружной и внутренней сторон каждого участка. В результате проведенного эксперимента, были получены данные о перемещениях в 40 участках бедренной кости (рис. 11 и 12).
По измеренным продольным перемещениям были рассчитаны продольные поверхностные деформации «здоровой» и протезированной бедренной кости. Анализ результатов экспериментального исследования показал линейно-упругое поведение системы бедро-имплантат при внешних нагрузках до 3000N. Нагрузка, N
С помощью построенной пространственной конечно-элементной модели системы бедро - эндопротез (рис 13) были рассчитаны поля продольных деформаций бедренной кости при следующих граничных условиях: нижний край кости консольно закреплен; головка протеза нагружена вертикальной нагрузкой 3000 N (рис. 14). Рис. 13. Конечно-элементная модель системы бедро - эндопротез (кол-во элементов - 54128; кол-во узлов — 84546). на наружном крае
Граничные условия (А) и результаты расчета продольных деформаций (Б-Г). Результаты проведенного экспериментального исследования (рис. 15-16) хорошо согласуются с имеющимися литературными данными. Наблюдаемые на рис. 15 различия в величине продольных деформаций вызваны тем, что при проведении испытаний, авторы работ [43] консольно закрепляли нижнюю часть бедренной кости, а в нашем исследовании бедренная кость фиксировалась на испытательной машине при помощи специально подготовленной подкладки. Некоторые количественные отличия экспериментальных данных от результатов численного решения (рис. 16) обусловлены неопределенностью данных о механических свойствах исследованной бедренной кости и использованием при расчетах значений из литературных источников [114].
Трудности, ошибки и осложнения при замещении дефектов костей и суставов углеродными имплантатами Обсуждение результатов исследования
В этой группе с наиболее сложными переломами мыщелков голени типа С было оперировано 29 пациентов: Результаты изучены у 16 больных (55,2%). При оценке отдаленных результатов также использовали схему, предложенную Rasmussen Р. (1973). В зависимости от типа перелома, сопутствующих повреждений сумочно-связочных структур; выраженности возрастных дегенеративно-дистрофических изменений получили следующие результаты. Так, с переломом типа С1 у 12,8% получен отличный результат, у 18,8% - результат хороший, у :; 6,2%- — удовлетворительный. При оценке отдаленных результатов оперативного вмешательства у больных с переломами типа С2 и СЗ (10 -. чел.) хороший результат получен у 5 человек, удовлетворительный - у 3 х, неудовлетворительный- у 2 оперированных больных. , %
Неудовлетворительные результаты наблюдали у больных, которым во время операции не была полностью восстановлена конгруэнтность суставной поверхности. В дальнейшем это привело к деформирующему остеоартрозу и нестабильности коленного сустава. Результаты лечения больных 2-ой группы (переломы типа С2-3) выглядят следующим образом: отличные результаты получены у 12,8% больных, хорошие — у 49$%, удовлетворительные - у 25%, неудовлетворительные — у 12,4%. Исходов лечения с выходом на группу инвалидности больных не наблюдали.
В качестве сравнения изучили контрольную группу из 20 больных с переломами мыщелков большеберцовой кости типа В, когда дефект губчатой кости после репозиции костных отломков заполняли губчатым аутотрансплантатом, взятым из гребня подвздошной кости. Предоперационная подготовка, профилактика антибиотиками и методика оперативного вмешательства в этой группе больных были идентичными группе, где дефект губчатой кости заполнялся высокопористым ячеистым углеродом. Все операции выполнялись под перидуральной либо спинномозговой анестезией. В послеоперационном периоде у всех больных был выраженный болевой синдром в области забора костного трансплантата. Болевой синдром сохранялся до 3-х недель.
Изучение отдалённых результатов проводили так же по схеме, предложенной Rassmussen Р. Были получены результаты, аналогичные группе больных с замещением костного дефекта высокопористым ячеистым углеродом. Отличный результат был у 52,5%; хороший -25%, у 20% - удовлетворительный, у 7,5% больных — неудовлетворительный. Исходов лечения с выходом на группу г инвалидности не наблюдали (табл. 9).
Таким образом, отдалённые клинические результаты замещения дефектов метафиза большеберцовой кости высокопористым ячеистым углеродом при импрессионных переломах не уступают пластике аналогичных дефектов костными аутотрансплантатами. Использование высокопористого ячеистого углерода упрощает оперативное вмешательство, уменьшает операционную травму и время оперативного вмешательства за счёт отказа от взятия трансплантата. Наличие имплантата не создаёт проблем с проведением винтов во время остеосинтеза, позволяет устанавливать пластину в оптимальную позицию. Отсутствие осложнений со стороны операционной раны служит ещё одним доказательством инертности углеродного материала.
Необходимость замещения дефектов губчатой кости чаще всего встречается при импрессионных переломах мыщелков большеберцовой -Ч-кости. Но и аналогичные дефекты другой локализации требуют замещения. В работе мы столкнулись с необходимостью замещения -дефектов губчатой кости при переломах пяточной кости (18 случаев). В 9 случаях высокопористый ячеистый углерод был использован для замещения дефектов кости после удаления доброкачественных опухолей. Высокопористый ячеистый углерод использовали при переломах дистального отдела большеберцовой кости (5), дистального метафиза лучевой кости (1), мыщелков бедра (2), мыщелков плечевой кости (2), перелом шейки плечевой кости (табл. 10). В 29 случаях дефект кости образовался при травматической импрессии губчатого вещества, а у 9 человек — после удаления опухолей.
С 2000 года по 2008 год в клинике травматологии и ортопедии .оперировано 18 случаев переломов пяточной кости, когда дефект после репозиции замещали высокопористым ячеистым углеродом. Операции выполняли под проводниковой или спинномозговой анестезией. Использовали стандартную схему профилактики гнойных осложнений введением антибиотика широкого спектра: 1-ая доза за 1 час до операции, 2-ая - через 8 часов после операции: Одновременно 2 пяточные кости не оперировали. Доступ L - образный по наружной поверхности пяточной области. После ревизии перелома и суставных поверхностей пяточной кости выполняли открытую репозицию и остеосинтез пяточной пластиной. После репозиции и превентивной фиксации спицами Киршнера определяли величину костного дефекта и заполняли последний углеродным материалом, моделируя имплантат интраоперационно. Средняя величина заполняемого дефекта составила 1 куб.см. В 5 случаях использовали пяточные пластины с угловой стабильностью компании «Syntes», в остальных — пяточные пластины ООО «Остеосинтез» (г. Рыбинск). Операция заканчивалась установкой активного дренажа и временной иммобилизацией гипсовой лонгетой. Если остеосинтез был стабильным, срок иммобилизации ограничивали 2 неделями. Через 5 — 7 дней начинали реабилитационные мероприятия, направленные на восстановление амплитуды движений в голеностопном суставе и в суставах стопы. Применяли ЛФК, физиотерапию, массаж. Больные ходили на костылях, не нагружая стопу, в течение 2-х месяцев. Через два месяца проводили рентгенологический контроль, на основании которого решали вопрос о величине осевой нагрузки на ногу.
![Лечение несросшихся переломов и ложных суставов ладьевидной кости запяться [Электронный ресурс]](/i/i/4310/202651.png "Лечение несросшихся переломов и ложных суставов ладьевидной кости запяться [Электронный ресурс] Платонов Игорь Николаевич")
