Введение к работе
Актуальность исследования. Металлы и сплавы представляют собой важнейший класс материалов, применяемых в медицине в качестве имплантируемых в организм конструкций (Гюнтер В. Э. с соавт., 1993). Основным требованием, предъявляемым к имплантатам, является их биологическая и биомеханическая совместимость с окружающими тканями, иначе организм может среагировать на их введение изменением собственной структуры вплоть до разрушения (Кобзев Э. В., Дубровин Г. М., 1997; Зотов В. А. с соавт., 2003).
Биологическая совместимость предполагает отсутствие иммунных реакций, воспалительного процесса и как следствие этого - отторжения имплантата (Зотов В. А. с соавт., 2003). Биомеханическая совместимость позволяет избежать перегрузок и макросдвигов на поверхности раздела имплантат-ткань организма (Гюнтер В. Э, Дамбаев Г. У., 1998). Для этого материал, из которого изготовлено устройство, должен обладать высокой пластичностью, поскольку кость обладает значительной гибкостью, вязкостью (Hirohata К. et al., 1989; Bombelli R., 1993) и в изотермических условиях при температуре 34-42С проявляет пластичные свойства, то есть характеризуется обратимой деформацией, которой лишены обычные металлические конструкции (Гюнтер В. Э., 1989; Гюнтер В. Э. с соавт., 1990). При малых деформациях (десятые доли процента) механическое поведение традиционно применяемых металлов и сплавов отличается классической упругостью, при которой напряжения нарастают пропорционально изменению формы. Циклическая (усталостная) стойкость манифестируется лишь в пределах упругого деформирования. Более заметные деформации происходят посредством пластического течения, то есть необратимо, а именно после прекращения воздействия силы исходная форма не восстанавливается. Многократное нагружение в пластической области неотвратимо приводит к относительно быстрому разрушению имплантата (Гюнтер Э. В., Дамбаев Г.У., 1998).
Начавшаяся в 60-е годы XX века «погоня» за прочными металлами и жесткой фиксацией отломков оттеснила биологические требования живого организма на второй план, что в какой-то мере завело в тупик решение проблемы погружного остеосинтеза. Одним из выходов из создавшейся ситуации стало использование сплавов на основе титана и никеля, принципиально новых по
своим свойствам, обладающих сверэластичным поведением и эффектом памяти формы, присущим живым тканям (Битюгов И. А. с соавт., 1986; Гюнтер В. Э. с соавт., 1993, 1995; Ильин А. А. с соавт., 2002).
У обычных металлов и сплавов деформация в упругой области составляет порядка 0,2%, далее появляются необратимые остаточные сдвиги, после чего уже нет возврата к исходному состоянию. Главная особенность никелида титана состоит в том, что при многократных деформациях до 8-10% после снятия нагрузки либо при нагревании образцы возвращаются к исходному состоянию (Корнилов И. И. с соавт., 1977; Гюнтер В. Э. с соавт., 1989; Гюнтер В. Э., 1996; Гюнтер В. Э., Дамбаев Г. У:, 1998). Из материалов такого рода изготавливают конструкции, способные под влиянием тепла изменять форму до 15% от первоначального состояния. Они развивают значительные усилия (до 800 МПа) при ее восстановлении, находятся в сверхэластичном состоянии при постоянной температуре, не разрушаются под влиянием многократных механических воздействий. При охлаждении до 5-7С конструкции становятся эластичными, их можно деформировать без значительных усилий. При нагревании в организме они стремятся восстановить исходную форму и при этом создают надежную фиксацию и равномерную компрессию костных отломков (Плоткин Г. Л. с соавт., 1993, 1995; Котенко В. В., 2001).
Практика показывает, что устройства из никелида титана применимы для осуществления стабильно-функционального остеосинтеза переломов всех локализаций (Кулик В. И. с соавт., 2001). Разнообразие их форм, возможность задавать требуемые свойства обеспечивают хирургу высокую маневренность (Дятлов М. М, Тулупов А. В., 2001).
Использование для изготовления фиксаторов материала, максимально приближающегося по биомеханическим и биофизическим свойствам к живой костной ткани, возможность их оптимального подбора в зависимости от вида повреждения и его локализации, малая травматичность операции, поддержание постоянной и равномерной межфрагментарной компрессии позволяют говорить об осуществлении стабильно-функционального остеосинтеза. Недаром В. А. Копысова (1993) использует в применении к этим конструкциям термин «биомеханизмы». Надежное скрепление отломков в сочетании с ранней функцией
способствует быстрому восстановлению трофики тканей, нормализации репа-ративных процессов (Копысова В. А., 1990). Таким образом, развитие данного направления открывает путь к решению чрезвычайно актуальной проблемы биологического остеосинтеза.
Немалую роль в успешном лечении повреждений и их последствий должны сыграть пористые проницаемые имплантаты из никелида титана, позволяющие восполнить дефект без применения костной пластики. Возможности использования аутотрансплантатов ограничены в связи с дополнительной травмой, наносимой организму, лимитированными запасами этого материала, а пересадка аллогенной кости чревата иммунологическими конфликтами, риском переноса особо опасных инфекций. Существенным недостатком костнопластических вмешательств является потеря губчатой костью прочностных качеств, большие сроки перестройки трансплантатов, требующие длительной иммобилизации (Watson J. et al., 1995).
Нашей стране принадлежит отчетливый приоритет в создании конструкций из никелида титана и внедрении их во многие области медицины. Однако анализ литературы свидетельствует о том, что возможности сплавов с термомеханической памятью используются далеко не в полной мере. Хотя с момента применения эффекта памяти формы в медицине прошло около 40 лет, теоретические и практические аспекты использования этих материалов в травматологии и ортопедии еще не стали предметом надлежащей разработки. Настоящее время можно охарактеризовать как период накопления и осмысления клинического опыта. Подавляющее большинство публикаций базируется в лучшем случае на нескольких десятках наблюдений без их углубленного анализа. Нет четких приоритетов в использовании остеосинтеза конструкциями из никелида титана при переломах и их последствиях, оптимальных научно обоснованных схем применения, отсутствует детальный анализ ошибок и осложнений. Нуждаются в совершенствовании, как сами устройства, так и основанные на них способы лечения.
Цель исследования: улучшить исходы лечения больных с переломами костей и их последствиями посредством разработки научно обоснованных под-
ходов к стабильно-функциональному остеосинтезу конструкциями из никелида титана.
Задачи исследования.
-
Методами компьютерного моделирования определить концентрацию напряжений при различных способах остеосинтеза и соответствие фиксаторов предъявляемым нагрузкам.
-
Оценить устойчивость различных методов фиксации отломков в динамических и статических экспериментах на анатомических препаратах.
-
Проследить процесс интеграции пористого никелида титана в ткани in vivo.
-
Проанализировать опыт использования конструкций из никелида титана при травмах опорно-двигательной системы, определить оптимальные варианты остеосинтеза с их применением в зависимости от локализации и вида перелома.
-
Предложить новые способы лечения и устройства для их осуществления при некоторых повреждениях опорно-двигательной системы и их последствиях.
-
Оценить ближайшие и отдаленные результаты лечения, выявить наиболее часто встречающиеся осложнения и ошибки.
Научная новизна исследования. На математической модели травмы голеностопного сустава с повреждением дистального межберцового синдесмоза проведено сравнительное изучение деформационных характеристик кости и фиксатора из никелида титана. Доказана полная адекватность последнего задаче удержания правильных взаимоотношений между компонентами сустава при сохранении физиологической подвижности в дистальном тибио-фибулярном сочленении.
Посредством моделирования разрыва акромиально-ключичного сочленения методом конечных элементов впервые определен оптимальный габаритный размер фиксатора.
Моделирование процесса нагружения бедренной кости при использовании шести современных средств фиксации стабильных и нестабильных чрез-вертельных переломов выявило закономерности характера распределения по-
лей перемещений, деформаций и напряжений в системе кость-имплантат. Показано, что нестабильный перелом типа 31А2 принципиально отличается влиянием малого вертела на прочность остеосинтеза. Установлены отличительные особенности остеосинтеза такого перелома: необходимость надежного закрепления малого вертела для снижения изгибающего момента и обеспечения равномерного давления в зоне перелома. Доказано, что фиксация малого вертела позволяет превратить нестабильный чрезвертельный перелом в стабильный.
В опытах на анатомических препаратах коленного сустава продемонстрирована высокая прочность остеосинтеза омегообразными скобами из никелида титана при переломах надколенника. Вместе с тем, эта система фиксации универсальна, о чем свидетельствуют средние значения величины смещения отломков в динамической стадии и средние значения разрушающих сил в статической части испытаний.
В эксперименте in vivo с использованием электронной микроскопии и рентгеноспектрального анализа изучено «поведение» пористого никелида титана в дефектах диафизов и метафизов длинных костей на протяжении длительного срока (до 6 месяцев). Показана полная биологическая инертность сплава. Современными методами с высокой разрешающей способностью прослежена динамическая зависимость степени заполнения пор имплантата костной тканью от сроков нахождения в организме.
Определены оптимальные варианты использования конструкций с памятью формы в лечении переломов длинных костей в зависимости от их локализации и вида. Результаты лечения оценены с помощью интегральной рейтинговой системы.
Разработаны новые способы: способ лечения ложного сустава трубчатой кости (патент на изобретение № 2230511 по заявке № 2002131981, приоритет от 27.11.2002) и способ лечения застарелых повреждений дистального межберцового синдесмоза с подвывихом стопы (патент на изобретение № 2216291 по заявке № 2002115834, приоритет от 13.06.2002). Создано оригинальное устройство для остеосинтеза малоберцовой кости при выполнении реконструктивной операции с передислокацией наружной лодыжки (свидетельство на полезную модель № 26288 по заявке № 2002115395, приоритет от 13.06.2002).
Практическая значимость работы. На основании теоретических расчетов и анализа большого клинического материала показана целесообразность использования стабильно-функционального остеосинтеза устройствами с памятью формы в ряду других средств оперативного лечения пострадавших с переломами и их последствиями. Охарактеризованы их основные достоинства. Определены оптимальные варианты применения этих конструкций как в сочетании с шинированием поврежденной кости обычными фиксаторами, так и самостоятельно. Описана техника оперативных вмешательств при переломах различных локализаций. Проанализированы результаты лечения больных, выявлены типичные ошибки и осложнения. Даны рекомендации по их профилактике. В эксперименте продемонстрирована полная биологическая инертность пористых имплантатов из никелида титана. Показано, что живые ткани легко прорастают в пористой структуре материала, при этом между костью и имплантатом формируется непосредственная связь, подтвержденная морфологическими исследованиями. Реализуются два способа соединения: механическое сцепление в результате прорастания и химическое взаимодействие кости с компонентами элементного состава имплантата.
Предложены оригинальные способы лечения и устройства из никелида титана, которые будут способствовать улучшению исходов лечения переломов и их последствий.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Остеосинтез конструкциями из никелида титана можно отнести к биологическим видам внутренней фиксации, обеспечивающим сохранение жизнеспособности тканей в зоне перелома и не вступающим в противоречие с эластичными свойствами живой кости. Он является не просто средством обездвиживания отломков, а механизмом, способствующим заживлению костной раны.
-
Атравматичность хирургического вмешательства, биологическая инертность материала при соответствии его эластических свойств характеристикам живой кости, универсальность метода, то есть возможность использования конструкций с памятью формы при любых переломах (около- и внутрисуставных; поперечных, косых, спиральных, оскольчатых
диафизарных), их относительные дешевизна и простота обращения с ними, низкая частота осложнений свидетельствуют в пользу дальнейшей научной разработки данного направления стабильно-функционального остеосинтеза и его более широкого внедрения в практику.
-
Пористый имплантат из никелида титана активно «участвует» в жизни окружающих тканей и является специфическим биофизическим композитом, что делает возможным его применение при реконструктивных операциях, требующих возмещения дефицита кости, и дефектах костей различного происхождения.
-
Использованные в ходе исследования методы моделирования повреждений могут служить основой для оценки прочности остеосинтеза, как существующими конструкциями, так и новыми, создаваемыми на уровне изобретений или полезных моделей.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:
заседаниях Общества травматологов-ортопедов Республики Северная Осетия-Алания (Владикавказ, 2001 - 2004 гг.);
13-й международной конференции SICOT (Санкт-Петербург, 2002 г.);
8-ой областной научно-практической конференции травматологов-ортопедов и хирургов Ленинградской области (Санкт-Петербург, 2002 г.);
- 7-ом съезде травматологов-ортопедов России (Новосибирск, 2002 г.);
7-ом Российском национальном конгрессе «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2002 г.);
Всероссийской юбилейной научно-практической конференции (Москва, 2003г.);
Международной конференции «Биосовместимые материалы с памятью формы и новые технологии в медицине» (Томск, 2004 г.);
Международном конгрессе «Современные технологии в травматологии и ортопедии» (Москва, 2004 г.).
Практическое использование результатов исследования.
По материалам диссертации опубликовано 38 работ. Изданы методические пособия «Пористые винтовые эксплантаты при несращениях шейки бедренной кости» (Новокузнецк, 2002), «Остеосинтез фиксаторами с памятью формы при повреждениях дистального сегмента костей голени и голеностопного сустава» (Новокузнецк, 2002). Издана монография «Имплантаты с памятью формы в травматологии и ортопедии» (Томск, 2004).
Предложенная тактика и методы лечения больных с использованием стабильно-функционального остеосинтеза конструкциями с памятью формы успешно применяются в ортопедо-травматологическом отделении больницы св. великомученика Георгия (Санкт-Петербург) и в Клинической больнице скорой помощи г. Владикавказа, являющейся учебной базой Северо- Осетинской государственной медицинской академии.
Результаты и выводы диссертации получили отражение в учебном процессе на курсе травматологии, ортопедии и ВПХ Санкт-Петербургского государственного университета и кафедре травматологии, ортопедии и ВПХ Севе-ро-Осетинской государственной медицинской академии.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций и библиографического списка использованной литературы, который включает 364 источника (из них 249 отечественных и 115 зарубежных). Работа изложена на 251 странице формата А4, иллюстрирована 71 рисунком, 16 таблицами и 16 выписками из историй болезни.
