Експериментально-біомеханічне обґрунтування використання вуглецевих імплантатів для лікування переломів довгих кісток у пацієнтів похилого віку

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ПАТОЛОГІЇ ХРЕБТА ТА СУГЛОБІВ

ІМЕНІ ПРОФЕСОРА М.І. СИТЕНКА АМН УКРАЇНИ

Рамі М.А. Абу Хамде Самара

УДК 616.71-001.5-089.843:546.26]:612.76

Експериментально - біомеханічне обґрунтування використання вуглецевих імплантатів для лікування переломів довгих кісток у пацієнтів похилого віку

14.01.21 - травматологія та ортопедія

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата медичних наук

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті патології хребта та суглобів iм проф. М.І. Ситенка АМН України.

Науковий керівник: доктор медичних наук

ТЯЖЕЛОВ Олексій Алімович

Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка

АМН України, завідувач лабораторії біомеханіки

Офiцiйнi опоненти: доктор медичних наук, професор

ШЕВЧЕНКО Станіслав Дмитрович,

Інститут патології хребта та суглобів

iм. проф. М.І.Ситенка АМН України,

завідувач відділом патології хребта та суглобів

дитячого віку

доктор медичних наук, професор

БУР'ЯНОВ Олександр Анатолійович,

Національний медичний університет ім.О.О. Богомольця,

МОЗ України, завідувач кафедри травматології та ортопедії

Провідна установа: Науково-дослідний інститут травматології та ортопедії Донецького державного медичного університету ім. М. Горького, МОЗ України, м. Донецьк.

Захист вiдбудеться 17 червня 2004 р. об 1130 на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 64.607.01 Інституту патології хребта та суглобів iм. проф. М.І.Ситенка АМН Украпни (61024, м. Харкiв, вул. Пушкiнська, 80).

З дисертацією можна ознайомитися в бiблiотецi Інституту патології хребта та суглобів iм. проф. М.І.Ситенка АМН Украпни (61024, м. Харкiв, вул. Пушкiнська, 80).

Автореферат розісланий “ 12” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради доктор медичних наук В.О. Радченко

Актуальність роботи. Особливу проблему на цей час складає лікування переломів у літніх пацієнтів, чому сприяє "постаріння" населення та пов'язані з похилим віком явища зниженої рухової активності, зменшення об'єму кісткової тканини, зниження загальної реактивності організму. Переломи кісток скелета лишають пацієнтів, особливо літніх, можливості вести звичайний спосіб життя, а нерідко призводять до інвалідності, ускладнень і летального результату. У зв'язку з цим на порядку денному ортопедії та травматології гостро стоїть питання про ефективне лікування кісток кінцівок у хворих похилого віку (Куценко С.Н., 2001; Герцен Г.И. с соавт., 2001 ; Тяжелов А.А. с соавт., 2001).

Спроби "поліпшити" остеосинтез призвели до виникнення нових матеріалів, що використовуються для з'єднання кісткових відламків. В ортопедії та травматології найбільше поширення отримало використання металів, полімерів, кераміки, проведено велику кількість досліджень з медичного застосування імплантатів, що містять вуглець.

Механічні характеристики імплантатів з вуглецевого композиційного матеріалу значно менше відрізняються від аналогічних показників кіркового шару кістки, ніж характеристики металевих або полімерних фіксаторів (Лавров Е.И., 1984); вуглецевий композиційний матеріал з перехрещеним розташуванням армувальних волокон демонструє підвищений порівняно з металом і склопластиком опір утомному руйнуванню (Хиань Хиньюань с соавт., 1985). Пружність фіксатора, близька до природної пружності живої кістки, дозволяє оптимізувати процес зрощення кісткових відламків.

В похилому віці виникає ціла низка змін системного характеру - порушення ендокринного балансу, змінення імунологічного статусу, пригнічення гемопоезу, зниження рухової активності й ін., що наприкінці призводить до розвинення остеопорозу (Бутенко Г.М., 2002; Дедух Н.В., Зупанец И.А., 2002).

Тому окремим питанням при лікуванні переломів у осіб похилого і старечого віку може бути виділено використання пристроїв для остеосинтезу довгих кісток при переломах на фоні зниження міцності кісткової тканини (системний і місцевий остеопороз, різноманітні остеопенічні стани). При аналізі проблеми лікування таких переломів чітко простежується проблемна ситуація, яка характеризується використанням принципів стандартного стабільного заглибного остеосинтезу (прототипом є АО-остеосинтез) при очевидному протиріччі - зниженні щільності кісткової тканини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано згідно з планом науково-дослідних робіт Інституту патології хребта та суглобів ім.проф. М.І.Ситенка АМН України (шифр теми ЦФ.2000.1, держреєстрація N 0100U002569 "Розробити алгоритмізовану систему лікування хворих з переломами кісток, які перебігають на тлі остеопенії та остеопорозу". Автор виконав якісний аналіз різноманітних методик остеосинтезу; дослідив жорсткість різних моделей остеосинтезу математичним шляхом (з використанням методу кінцевих елементів) та експериментальним шляхом, використовуючи метод фізичного моделювання; дослідив електрохімічні властивості імплантатів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу (ВВКМ); розробив методику остеосинтезу та імплантати для її здійснення, провів клінічну апробацію даної методики).

Мета дослідження: розробити теоретично й експериментально обґрунтувати методику остеосинтезу діафізарних переломів довгих кісток кінцівок у хворих похилого віку з використанням імплантатів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу.

Задачі дослідження:

Розробити інформаційну модель остеосинтезу довгих кісток при діафізарних переломах у пацієнтів похилого і старечого віку.

Вивчити можливості використання вуглецевих композиційних матеріалів для остеосинтезу кісток.

Провести електрохімічні дослідження взаємодії імплантатів з вуглецевого композиційного матеріалу (ВВКМ) з металами.

Розробити спосіб пружно-стабільного остеосинтезу та фіксуючі пристрої з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу, що забезпечуватимуть на весь період зрощення фіксацію кісткових відламків та мінімальну втрату якості фіксації.

Провести порівняльний аналіз якості з'єднання кісткових відламків на кінцево-елементній моделі остеосинтезу.

Провести біомеханічні дослідження якості остеосинтезу запропонованою конструкцією.

Провести клінічну апробацію розробленої методики лікування переломів довгих кісток.

Об'єкт дослідження: остеосинтез (способи з'єднання фрагментів кістки) в експериментальних та клінічних умовах; імплантати з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу.

Предмет дослідження:

якість з'єднання відламків - сталість окремих елементів в системі фіксатор-кістка;

надійність остеосинтезу - здатність конструкції забезпечувати високу якість з'єднання відламків впродовж періоду зрощення;

механічні та електрохімічні властивості імплантатів з вуглецевого композиційного матеріалу та конструкцій для остеосинтезу.

Матеріал та методи дослідження. В роботі використані методи:

концептуального моделювання остеосинтезу при переломах довгих кісток у хворих похилого віку;

математичного моделювання методом кінцевих елементів способів з'єднання кісткових відламків з використанням різноманітних пристроїв та методик;

біомеханічного дослідження жорсткості з'єднання кісткових відламків на різних моделях остеосинтезу;

електрохімічний метод вивчення взаємодії вуглецевого композиційного матеріалу, з якого виготовляли імплантати, і деяких стандартних металевих фіксаторів шляхом визначення електрохімічного потенціалу кожного імплантата та їхньої взаємодії в розчині електроліту;

клінічного дослідження, що включає клінічне, лабораторне та рентгенологічне передопераційне обстеження хворих з переломами стегнової кістки та післяопераційне динамічне спостереження на етапах лікування.

Для виготовлення імплантатів використано вуглець-вуглецевий композиційний матеріал. Клінічну апробацію проведено у 3 хворих з переломами стегнової кістки.

Наукова новизна. Розроблено інформаційну модель остеосинтезу при діафізарних переломах довгих кісток у літніх хворих. Оригінальна технологія з'єднання кісткових відламків (абстрактна модель остеосинтезу), розроблена в рамках інформаційної моделі, теоретично дозволяє забезпечити індивідуальний, прогнозований остеосинтез із заданими параметрами жорсткості з'єднання кісткових відламків.

Експериментально доведено "біологічну інертність" та можливість використання комбінацій вуглецевих і титанових імплантатів у клінічних умовах. Це зумовлено тим, що вуглецевий композиційний матеріал у статичному контакті з титаном сприяє більш швидкому утворенню окисної плівки на поверхні металу, тобто сприяє швидкій ізоляції титану.

Вперше математичним шляхом розраховано необхідні міцнісні параметри фіксатора з урахуванням показників неушкодженої кістки.

Розроблено новий спосіб остеосинтезу, що дозволяє на фоні зниження міцності кісткової тканини забезпечити надійну первинну стабілізацію кісткових відламків імплантатами з ВВКМ та зберегти її на період, необхідний для зрощення перелому (позитивне рішення за заявкою № 2003054692).

Практична значущість. Розроблені нові імплантати і методика остеосинтезу дозволяють отримати надійне з'єднання кісткових відламків, що при можливості клінічного застосування імплантатів з ВВКМ забезпечить скорочення загальних строків лікування й соціальної реабілітації хворих за рахунок безіммобілізаційного ведення хворих, ранніх рухів у суміжних суглобах. Припускається, що при використанні даних конструкцій у літніх хворих фіксатори не треба буде видаляти.

Вперше для остеосинтезу діафізарних переломів довгих кісток запропонований оригінальний комбінований фіксатор з вуглецевого композиційного матеріалу, що складається з накісткової пластини і внутрішньокісткового стержня, й обґрунтовано доцільність його клінічного застосування.

Конструкція, що пропонується, надійно захищає кісткові відламки від додаткових переломів при повторних падіннях пацієнта за рахунок адсорбції енергії травми.

Експериментально доведено, що розроблена модель комбінованого накістково-внутрішньокісткового остеосинтезу забезпечує достатню жорсткість фіксації кісткових відламків (біля 60% жорсткості неушкодженої кістки) в поєднанні з пружною деформацією в зоні перелому, що дозволяє отримувати зрощення за рахунок періостальної кісткової мозолі.

Виготовлено макетні зразки фіксаторів, відроблено методики остеосинтезу при діафізарних і метадіафізарних переломах довгих кісток, проведено клінічну апробацію запропонованих пристроїв та методик, подано відповідні документи для патентування запропонованого способу остеосинтезу.

Виготовником подана заявка в департамент з нової техніки для отримання дозволу на використання імплантатів з ВВКМ в клінічній практиці.

Результати дослідження впроваджено в клінічну роботу відділення невідкладної травматології та відновної хірургії Інституту патології хребта та суглобів АМНУ.

Особистий внесок здобувача. Автором проведено інформаційно-аналітичне дослідження, розроблено інформаційну модель остеосинтезу довгих кісток у хворих похилого і старечого віку.

Автор приймав участь в розробці імплантатів і методики комбінованого остеосинтезу й оформленні патентної документації.

У сумісних публікаціях автору належить участь в постановці задач дослідження, технічна участь, аналіз отриманих результатів.

Автор приймав участь в обговоренні цілі й постановці задач дослідження та аналізі отриманих даних в розділі, присвяченому вивченню електрохімічних властивостей вуглецевого композиційного матеріалу.

Автор брав участь в постановці задач дослідження, здійснював технічну участь й аналіз результатів у розділі роботи, присвяченому математичному моделюванню особливостей остеосинтезу.

Автор брав участь у постановці задач і в аналізі отриманих даних в розділі, присвяченому експериментальному вивченню міцнісних властивостей фіксаторів, що виконано на базі лабораторії біомеханіки ІПХС ім. проф. М.І.Ситенка АМН України.

Обстеження хворих, оперативне лікування пацієнтів, що склали групу клінічної апробації, та динамічне спостереження у післяопераційному періоді здійснювались при безпосередній участі автора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи обговорено на наукових форумах різного рангу: на ювілейній конференції Уральського НДІТО ( Єкатеринбург, 2000 р.); ХІІІ з'їзді ортопедів-травматологів України (Донецьк, 2001 р.); конференції Кримського медичного університету "Малоинвазивные технологии в ортопедии и травматологии" (Ялта, 2000 р.); науково-практичній конференції "Морфогенез і патологія кісткової системи в умовах промислового регіону Донбасу" (Луганськ, 2003 р.); науково-практичній конференції, присвяченій 25-річчю кафедри травматології та вертебрології Харківської медичної академії післядипломної освіти (Харків, 2003); ХІІ Congress of the Polish Osteoarthrology Society and Polish Foundation of Osteoporosis (Krakow, 2003).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових праць, з них

4 статті - у провідних наукових фахових виданнях, 3 роботи в матеріалах з'їздів, конференцій.

Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота містить 160 сторінок друкованого тексту, 40 рисунків, 16 таблиць, складається зі вступу, 8 глав, висновків, списку літературних посилань та додатків. Список літературних посилань містить 132 джерела, з яких 89 - іноземних авторів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Для вивчення стану проблеми лікування хворих з переломами довгих кісток на фоні остеопорозу й визначення меж наукового пошуку виконано інформаційно-аналітичне дослідження, присвячене питанням розвитку остеосинтезу і пошуку нових способів з'єднання кісток при переломах у хворих похилого і старечого віку. Проведене інформаційне дослідження дозволило виділити ряд положень, що потребують уточнення:

використання матеріалів з новими властивостями для остеосинтезу довгих кісток при їх переломах в осіб старшої вікової групи на фоні зниження загальної міцності кісткової тканини не спричинило переогляду принципів з'єднання кісткових відламків, незважаючи на те, що остеосинтез здійснювали в нових умовах і новими фіксаторами;

застосування нових матеріалів для остеосинтезу не завжди має достатнє теоретичне обґрунтування.

Таким чином, в ортопедичній практиці спостерігається парадоксальне вирішення питання оперативного лікування літніх хворих, що характеризується єдиним методичним підходом до остеосинтезу переломів різних видів, при різному стані кісткової тканини і різних типах фіксаторів. При цьому важко досягти надійного з'єднання кісткових фрагментів і утримати їх на тривалий строк без втрати якості фіксації. Наприклад, стабільний накістковий остеосинтез передбачає використання для фіксації відламків жорстких пластин (різноманітні варіанти АО-остеосинтезу). Проте використання жорстких металевих пластин у літніх хворих невиправдане внаслідок різниці механічних характеристик фіксатора й кістки. Зниження міцності кісткової тканини, що спостерігається у літніх хворих, часто стає причиною недостатньої стабільності остеосинтезу. Наявність проблемної ситуації, яка не може бути розв'язана існуючими засобами, потребує нових підходів до остеосинтезу у літніх хворих.

Такий підхід дозволив подати існуючий рівень вирішення проблеми лікування діафізарних переломів довгих кісток кінцівок у вигляді інформаційної моделі, яка була вихідним етапом і основою подальших теоретичних досліджень.

Ідеальним остеосинтезом при переломах довгих кісток в умовах зниження міцності кісткової тканини постає таке механічне з'єднання кісток, яке б забезпечувало надійне тривале механічне скріплення кісткових відламків на строк, необхідний для зрощення, без помітної втрати якості фіксації. Цей остеосинтез має відновити у післяопераційному періоді рівень м'язової функції та фізіологічної активності, який хворий мав до травми, і не потребував би видалення фіксатора; остеосинтез має сприяти найбільш швидкому зрощенню перелому і не знижувати рівня життя пацієнта у післяопераційному періоді.

Таким вимогам відповідає остеосинтез імплантатами з вуглецевого композиційного матеріалу. Вивчивши за даними літератури властивості імплантатів і можливості їхнього застосування, ми прийшли до висновку, що використання конструкцій з ВВКМ для остеосинтезу кісток принципово можливе, проте неможливий прямий перенос конструкційних рішень з металевих фіксаторів на вуглецеві.

Тому на основі теоретичних уявлень - інформаційної моделі остеосинтезу - вперше для остеосинтезу діафізарних переломів довгих кісток розроблено модель комбінованого накістково-внутрішньокісткового остеосинтезу і запропонований оригінальний комбінований фіксатор з вуглецевого композиційного матеріалу, що складається з накісткової пластини і внутрішньокісткового стержня, і теоретично обґрунтована доцільність його застосування.

Внутрішньокістковий стержень забезпечує міцне закладення фіксуючого гвинта, постаючи в якості своєрідного дюбеля, а також забезпечує пружно-еластичні властивості з'єднанню кісткових відламків. Накісткова пластина зменшує навантаження, що виникають в стержні, за рахунок підвищення просторової жорсткості конструкції й додатково зміцнює закладення фіксуючого гвинта.

Розроблено вимоги до остеосинтезу діафізарних переломів довгих кісток у хворих похилого і старечого віку:

оперативне лікування в показаних випадках являє собою заглибний пружно-стабільний остеосинтез, який має забезпечувати тривале з'єднання кісткових відламків з мінімальною втратою якості закладення фіксатора в кістці;

остеосинтез повинен забезпечувати швидке досягнення рівня фізичної рухової активності, що його мав пацієнт до травми, і не потребувати ніяких видів додаткової іммобілізації;

надійність остеосинтезу має бути такою, щоб пацієнт міг хоча б частково використовувати травмовану кінцівку з першого дня післяопераційного періоду (при ходьбі з милицями активно здійснювати перенос кінцівки, давати навантаження вагою кінцівки, утримувати підняту кінцівку).

Остеосинтез, що пропонується, являє собою спосіб з'єднання кісткових відламків з використанням фіксатора з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу у вигляді накісткової пластини і внутрішньокістково розташованого фіксатора, з'єднаних між собою. При цьому і накісткова пластина, і внутрішньокістковий стержень виконані з матеріалу, що має достатню міцність, модуль пружності якого відповідає такому для кіркового шару кісткової тканини. І пластина, і внутрішньокістковий стержень з'єднані різьбовими фіксуючими елементами (титановими гвинтами), які проходять також через обидва кіркових шари кістки. Фіксатори, що з'єднують накісткову пластину і внутрішньокістковий стержень, введені у різних площинах, що підвищує міцність з'єднання елементів конструкції та кісткових відламків.

Переваги запропонованої моделі пружно-стабільного остеосинтезу:

за рахунок того, що внутрішньокістковий стержень відповідає мінімальному діаметру кістковомозкового каналу, мінімально травмується ендост, що зберігає потенційну можливість ендостального кісткоутворення;

завдяки тому, що різьба в кістці й імплантатах - одного шагу, пластину можна розташовувати на будь-якій відстані, тобто немає необхідності підганяти пластину до рельєфу кістки, пластина може накладатися з зазором, а затягнення фіксуючого гвинта не викличе зміщення або деформації кісткових відламків. Це дозволяє також уникнути надмірного тиску пластини на кістку;

остеосинтез дозволяє здійснити ранні рухи в суглобах за рахунок пружно-стабільної надійної фіксації, яка зберігається на більш тривалий строк;

великий "розкид" кріпильних елементів за рахунок збільшення довжини пластини зменшує навантаження на кістку і фіксатори, забезпечує більшу надійність конструкції кістка-фіксатор;

форма конструкції і введення гвинтів у різних площинах (під кутом 60-90 один до одного) підвищує стабільність фіксації у всіх площинах;

матеріал, з якого виготовлені фіксатори, за своїми механічними характеристиками наближається до кісткової тканини, що теоретично дозволяє досягати при остеосинтезі бажаної жорсткості системи кістка-фіксатор, забезпечуючи умови виконання прогнозованого остеосинтезу.

З огляду на застосування декількох різнорідних імплантаційних матеріалів (метал та ВВКМ) в одній конструкції гостро постало питання про електрохімічну сумісність цих імплантатів. Для відповіді на це питання вивчено електрохімічну активність вуглецевого матеріалу в парі з іншими металами, що використовуються для остеосинтезу. Досліджено електрохімічну взаємодію ВВКМ і титану, ВВКМ і різних сортів неіржавкої сталі, ВВКМ і нікеліду титану (метал, що має пам'ять форми) в статичному стані і в умовах тертя поверхней імплантатів, що контактують. В якості середовища використаний фізіологічний розчин (0,9% NaCl), в якості основного критерію ефективності гальванопари - величина електрохімічного потенціалу. Величину електрохімічних потенціалів досліджених імплантатів подано в табл.1.

Таблиця. 1. Значення ЕДС (В) та контактних струмів (I. мкА) гальванопар

№ п/п	МАТЕРІАЛ	Стаціонарні умови	Депасивація поверхні
	Катода	Анода	ЕДСВ	I, мкА	ЕДС В	I, мкА
1	ВВКМ	ВТ-1	0,174	2	0.62	30
2	ВВКМ	12Х18Н10Т	0,16	3	0.38	680
3	ВВКМ	12Х18Н10Т+АУП	0.11	8 - 6	0.12	8
4	ВВКМ	12Х18Н10Т*	0,198	13- 22	-	-
5	ВТ-1	ВТ-1	0	0	0.48	18?10
6	Графіт	ВТ-1	0.19	1	0.45	28
7	Графіт	12Х18Н10Т	0.24	2	0,65	570
8	Графіт	12Х18Н10Т+АУП	0.11	0.5	0.19	6
9	12Х18Н10Т+АУП	12Х18Н10Т	0,15	5- 1	0,348	180
10	12Х18Н10Т+АУП	ВТ-1	0.098	1	0,305	25
11	ВВКМ	NiTi	0,256	26	-	-
12	ВВКМ	U1**	0,182	2 :	-	-
13	U1**	U2:***	0.12	0	0.13	62

Примітки:

* Зразок 12Х18Н10Т з другої партії

Зразок нікеліду титану, повернутий іншим кінцем

*** Зразки виробів для остеосинтезу, з неідентифікованих титанових сплавів

Аналіз даних таблиці показав: мінімальна ефективність гальванопар зафіксована для варіанту контакту ВВКМ з титановим сплавом ВТЗ-1 у статичних умовах, тому використання комбінацій імплантатів з ВВКМ і титану є найбільш безпечним для клінічного використання.

Депасивація поверхні (усунення захисної окисної плівки з імплантата) не впливає на електрохімічні характеристики ВВКМ.

При депасивації поверхней пар, що контактують, найбільш перспективним здається використання варіантів контакту, в якому роль катодного електрода (пластини, стержні) виконує ВВКМ, а анодного (кріпильні елементи) - титанові сплави з алмазоподібним вуглецевим покриттям. Така пара буде пасивною як у стаціонарному стані (титанова основа не схильна до утворення точкової корозії), так і при депасивації поверхні, оскільки електрохімічні характеристики алмазоподібного покриття, за аналогією з вуглець-вуглецевими композитами, не залежать від механічного впливу на поверхню.

Таким чином, доведено біологічну інертність вуглецевого композиційного матеріалу, що використовується у парі з титановими імплантатами.

З урахуванням меншої міцності вуглецевих композиційних матеріалів порівняно з металевими була поставлена задача - розрахувати необхідні міцнісні характеристики запропонованої конструкції. Цю задачу вирішено шляхом математичного моделювання з використанням методу кінцевих елементів (МКЕ).

Була побудована кінцево-елементна модель діафіза стегнової кістки у вигляді об'ємного тривимірного об'єкта циліндричної форми з проксимальними і дистальними кінцями, що розширюються. Проксимальний кінець прийнятий як жорстко закріплений, до дистального кінця прикладали навантаження з урахуванням геометрії кістки (позацентрове навантаження) шляхом перерахування осьового стискального навантаження та згинального моменту. Досліджуваний об'єкт (модель остеосинтезу) був розбитий на кінцеве число елементів. Всього для побудування моделі використано 2784 твердотільних вісьмивузлових елементів SOLID. Кожний елемент мав певне число ступенів свободи, відповідно до яких обчислювали коефіцієнти жорсткості. В роботі використано програму COSMOS/M, яка у вихідному файлі містить для кожного вузла і середньої точки кожного елемента значення нормальних і дотичних напружень поздовж кожної з активізованих осей, значення головних напружень і напруження за Мізесом (сумарні напруження), а також переміщення кожного вузла поздовж кожної з осей. Після визначення переміщень цих вузлів обчислювали деформації, а потім за законом Гука для лінійної задачі - напруження в усіх вузлах елементів.

В результаті проведеного дослідження вперше математичним шляхом розраховані необхідні міцнісні параметри фіксатора з урахуванням міцності ушкодженої кістки.

Аналіз напружено-деформованого стану системи фіксатор-кістка при використанні розробленої моделі пружно-стабільного остеосинтезу свідчить про достатні механічні характеристики запропонованого фіксатора: показники податливості системи фіксатор-кістка - одного порядку з моделлю інтактної кістки, а сумарні напруження - менше руйнівних. Жорсткість моделі пружно-стабільного комбінованого накістково-внутрішньокісткового остеосинтезу складає 66% жорсткості моделі інтактної кістки.

Модель запропонованого комбінованого остеосинтезу показала кращі характеристики порівняно з моделлю стандартного накісткового остеосинтезу металевими пластинами (напруження за Мізесом менше майже у 7 разів, податливість - в 1,34 рази).

Ці дані підтверджені стендовими біомеханічними дослідженнями різних моделей остеосинтезу. В якості моделі використовували неліофілізовану нативну плечову кістку людини (учбові анатомічні препарати), в середині діафіза якої шляхом розпилу імітували перелом, а потім відламки скріплювали за допомогою стандартних пристроїв для остеосинтезу і розробленого пристрою з вуглецевого композиційного матеріалу. Досліджували міцнісні характеристики моделі накісткового остеосинтезу металевою пластиною з 6 гвинтами і моделі розробленого комбінованого остеосинтезу вуглецевими імплантатами такої ж довжини з 6 гвинтами на згин, моделюючи зусилля, що виникають в сегменті при відведенні кінцівки у різних площинах.

Стендові випробування різних моделей остеосинтезу показали очевидні переваги моделі пружно-стабільного комбінованого остеосинтезу з використанням вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів.

Жорсткість системи фіксатор-кістка складає 40-60% жорсткості інтактної кістки, що, з досвіду подібних досліджень, є хорошим показником міцності з'єднання кісткових відламків.

Надійність даної моделі остеосинтезу вище у порівнянні з остеосинтезом металевою накістковою пластиною, тому що запропонована модель витримує значно більші навантаження порівняно з накістковим металоостеосинтезом.

Запропонована модель остеосинтезу припускає пружну деформацію в зоні перелому, що дає підставу розраховувати на зрощення шляхом періостального кісткоутворення.

Отримані експериментальним шляхом показники жорсткості запропонованої моделі остеосинтезу мало відрізняються від розрахункових даних кінцево-елементної моделі (відповідно 40-60% та 66%). Незначні розходження пояснюються тим, що в розрахунках МКЕ використані усереднені (ортотропні властивості кінцево-елементної моделі) дані "здорової" кістки людини середнього віку, тоді як в експерименті використана "модель остеопорозної кістки" (більш тверда та більш крихка нативна неліофілізована кістка) з анізотропними механічними характеристиками. З огляду на ці умови стає зрозумілим, що отримані показники жорсткості цілком співставимі, а, отже, і математичне моделювання, й експериментальні дослідження підтверджують концептуально-теоретичні побудови.

Таким чином, розрахункові й експериментальні дослідження показали, що запропонована модель комбінованого остеосинтезу з використанням імплантатів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу завдяки своїм механічним властивостям та біологічній інертності може бути застосована в клінічній практиці.

Формалізований аналіз якості фіксації кісткових відламків дозволяє заключити, що даний вид остеосинтезу має помітний запас міцності порівняно з розглянутими відомими видами остеосинтезу, що дозволяє вельми високо оцінити його потенційні можливості протистояти зовнішнім навантаженням і зміщувальним зусиллям та моментам сил.

З метою клінічної апробації розроблено оригінальну методику остеосинтезу, що дозволяє на фоні зниження міцності кісткової тканини забезпечити надійну первинну стабілізацію кісткових відламків і зберегти її на весь період, необхідний для зрощення перелому.

Клінічна апробація розробленої методики остеосинтезу проведена у трьох хворих з діафізарними переломами стегнової кістки.

Результати клінічної апробації свідчать про те, що при використанні запропонованої методики оперативного лікування хворих старшої вікової групи з діафізарними переломами стегнової кістки клінічні ознаки зрощення (можливість одноопорного стояння) відмічаються вже к 3 місяцям з моменту операції. Рентгенологічні ознаки зрощення (відсутність видимої лінії перелому, наявність щільної періостальної кісткової мозолі) чітко видно вже к 6-7 місяцям з моменту операції. Рухи в кульшовому і колінному суглобах оперованої кінцівки можливі з другого-третього дня після операції. З третього-п'ятого дня після операції почата ходьба на милицях з дозованою опорою на оперовану кінцівку (що пов'язано з віком хворих і труднощами їх пересування на милицях). К 6-7 місяцям формується повноцінна (за механічними властивостями) кісткова мозоль, що дозволяє здійснювати повне осьове навантаження на оперовану кінцівку, що, безумовно, є хорошим показником при переломах стегнової кістки у хворих старшої вікової групи.

Проведена клінічна апробація запропонованої моделі пружно-стабільного остеосинтезу показала його позитивні моменти:

- остеосинтез дозволяє здійснювати ранні рухи в суглобах за рахунок стабільної надійної фіксації починаючи з 2-3 дня після операції, а стабільна фіксація зберігається на весь строк зрощення завдяки міцному первинному закладенню фіксуючих гвинтів у накістковій пластині та внутрішньокістковому стержні;

- зважаючи на біологічну інертність вуглецю немає необхідності видаляти фіксатори;

- матеріал, з якого виготовлені фіксатори, за своїми механічними характеристиками наближається до кісткової тканини, що дозволяє досягати зрощення за рахунок переважно періостального кісткоутворення.

Успішна клінічна апробація запропонованої моделі пружно-стабільного остеосинтезу свідчить про його перспективність та можливість його широкого клінічного використання у хворих старшої вікової групи - 70-80 років. Вона показала перспективність даного виду лікування, практично підтвердила правильність теоретичних побудов, довела принципову можливість використання вуглець-вуглецевих композиційних імплантатів для остеосинтезу переломів довгих кісток кінцівок у хворих старшої вікової групи при виражених явищах вікового остеопорозу.

Розроблена модель пружно-стабільного остеосинтезу дозволяє вільно задавати пружно-еластичні властивості фіксатора за рахунок підбору імплантатів з відповідними геометричним та механічними характеристиками; підбирати його механічні характеристики в залежності від стану кісткової тканини, вводячи відповідні дані в розрахунки. Цим ми теоретично забезпечуємо нові принципи прогнозованого остеосинтезу із заданими параметрами жорсткості з'єднання кісткових відламків при використанні композитних матеріалів.

Таким чином, проведене дослідження дозволяє намітити конкретні шляхи для виходу на новий рівень можливостей остеосинтезу - виконання індивідуального контрольованого з'єднання кісткових відламків із параметрами жорсткості, що задаються. Вибираючи бажану жорсткість фіксації відламків, ми можемо опосередковано впливати на остеогенез, "запускаючи" його за типом первинного кісткового зрощення або періостального кісткоутворення.

ВИСНОВКИ

1. Розроблена інформаційна модель остеосинтезу діафізарних переломів довгих кісток кінцівок у хворих похилого і старечого віку показала, що складність оперативного лікування таких переломів обумовлена, головним чином, невідповідністю механічних характеристик фіксатора й кістки.

2. Дослідження характеристик імплантатів з ВВКМ показало, що застосування їх для остеосинтезу принципово можливе, проте неможливий прямий перенос конструктивних рішень з металевих фіксаторів на вуглецеві.

Розроблено імплантати з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу для остеосинтезу діафізарних переломів довгих кісток у вигляді накісткової пластини і внутрішньокісткового стержня. Накісткова пластина і внутрішньокістковий стержень з'єднуються між собою фіксуючими титановими гвинтами. Фіксуючі гвинти проходять також через обидва кіркових шара кістки в різних площинах, що підвищує міцність з'єднання елементів конструкції та кісткових відламків.

Розроблена методика пружно-стабільного комбінованого остеосинтезу діафізарного перелому стегнової кістки з використанням запропонованих імплантатів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу дозволяє:

запобігти ефекту локального перевантаження ослаблого кіркового шару кістки;

підвищити якість фіксації та ступінь надійності остеосинтезу;

поліпшити ротаційну стабільність системи "кістка-фіксатор".

Експериментально доведено можливість використання комбінацій вуглецевих і титанових імплантатів у клінічних умовах, що зумовлено мінімальними показниками електрохімічної активності гальванопари титан-ВВКМ.

Математичне моделювання методом кінцевих елементів різних варіантів остеосинтезу показало достатні механічні характеристики запропонованої конструкції фіксатора та розробленої моделі пружно-стабільного остеосинтезу за основними показниками напружено-деформованого стану. Максимальна розрахункова жорсткість моделі запропонованого комбінованого остеосинтезу складає 66% розрахункової жорсткості моделі інтактної кістки.

Проведені стендові біомеханічні дослідження носійної здатності розробленого пристрою показали достатні механічні характеристики моделі пружно-стабільного комбінованого остеосинтезу з використанням вуглець-вуглецевих композиційних імплантатів порівняно з моделлю накісткового металоостеосинтезу. Отримана в експерименті жорсткість моделі запропонованого комбінованого остеосинтезу складає від 40 до 64% жорсткості інтактної моделі. Надійність розробленої моделі вище порівняно з моделлю остеосинтезу металевою накістковою пластиною, так як запропонована модель витримує значно більші навантаження порівняно з накістковим металоостеосинтезом та припускає пружну деформацію в зоні перелому, що дає підставу розраховувати на зрощення шляхом періостального кісткоутворення.

Проведена клінічна апробація запропонованої моделі пружно-стабільного остеосинтезу переконливо довела його перспективність:

можливість раннього функціонального навантаження і розробки рухів у суміжних суглобах;

швидке відновлення функції суглобів оперованої кінцівки;

можливість раннього дозованого осьового навантаження;

періостальний тип зрощення перелому, що забезпечує максимально швидке досягнення міцності кісткової мозолі;

відсутність необхідності видалення конструкції після зрощення перелому;

клінічні ознаки зрощення відмічаються к 3 місяцям, а рентгенологічні ознаки зрощення - к 6-7 місяцям з моменту операції.

Отримані в результаті проведеного дослідження дані дозволяють визнати можливим і перспективним використання імплантатів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу для остеосинтезу довгих кісток кінцівок у хворих похилого віку і рекомендувати такі імплантати для клінічного використання.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Тяжелов О.А., Рамі М.А. Абу Хамди Самара. Сучасний стан питання оперативного лікування переломів довгих кісток кінцівок на фоні остеопорозу (інформаційно-аналітичне дослідження)//Український медичний альманах. - 2003. - № 2 - С. 145- 150.

Особистий внесок автора полягає в аналітичному огляді літератури, присвяченому питанню лікування діафізарних переломів довгих кісток кінцівок.

Тяжелов А.А., Чуйко А.Н., Рами М.А. Абу Хамде Самара. Исследование напряженно-деформированного состояния системы кость-фиксатор на модели остеосинтеза бедренной кости//Травма. - 2003. - Т. 4. - № 1. - С.30-36.

Особистий внесок автора полягає в створенні моделі діафіза стегнової кістки, формулюванні завдань дослідження з вивчення пружно-деформованого стану кістки та аналізі отриманих результатів.

Севидова Е.К., Тимченко И.Б., Тяжелов А.А., Голухова А.Г., Тарасенко В.И., Рами М.А. Абу Хамди Самара. Об электрохимической совместимости углерод-углеродных композитов с металлическими изделиями для остеосинтеза //Український медичний альманах. - 2003. - № 3. - С. 146- 149.

Особистий внесок автора полягає в участі у постановці завдань дослідження та аналізі результатів.

Тяжелов А., Михайлов С.Р., Суббота И.А., Рами М.А. Абу Хамди Самара Биомеханические исследования механических свойств жесткой и упруго-стабильной моделей остеосинтеза //Ортопедия, травматология и протезирование. - 2003. - № 2. - С.61-66.

Особистий внесок автора полягає в створенні фізичних моделей пропонованого та стандартного накісткового остеосинтезу та аналізі отриманих результатів.

Тяжелов А., Романенко К.К., Органов В.В., Рами Самара Проблемы и перспективы оперативного лечения переломов диафизов длинных костей на фоне остеопороза //Збірник наукових праць 13-го з'їзду ортопедів-травматологів України, Київ-Донецьк. - 2001. - С.294-297.

Особистий внесок автора полягає в аналізі сучасного стану розвитку проблеми лікування діафізарних переломів у хворих похилого віку.

Попсуйшапка А.К., Тяжелов А.А., Тарасенко В.И., Рами М.А.Абу Хамди Самара, Паздников Р.В. Полужесткий (упруго-стабильный) остеосинтез - перспективы лечения переломов длинных костей конечностей на фоне остеопороза //Збірник наукових праць науково-практичної конференції, присвяченої 25-річчю кафедри травматології та вертебрології Харківської медичної академії післядипломної освіти. Харків, 2003. - С.200-202.

Особистий внесок автора полягає в створенні фізичних моделей пропонованого та стандартного накісткового остеосинтезу та аналізі отриманих результатів.

Tyazhelov A, Goridova L., Romanenko K., Tarasenko V., Abuhamdi Samara Rami M A. Technica elastycznie stabilnej osteosyntezy zlaman trzonow kosci dlugich na tle osteoporozy //Postepy Osteoartrologii. - 2003. - Vol.14. - Supl.1. - S.26-27

Особистий внесок автора полягає в розробці способу комбінованого остеосинтезу.

імплантат вуглецевий остеопороз

АНОТАЦІЯ

Рамі М.А. Абу Хамде Самара. Експериментально-біомеханічне обґрунтування використання вуглецевих імплантатів для лікування переломів довгих кісток у пацієнтів похилого віку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за спеціальністю 14.01.21 - травматологія та ортопедія. - Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка АМН України, Харків,2004.

Дисертацію присвячено обґрунтуванню використання вуглецевих імплантатів для остеосинтезу довгих кісток. Розроблено імплантати з вуглецевого композиційного матеріалу для остеосинтезу діафізарних переломів довгих кісток у вигляді накісткової пластини і внутрішньокісткового стержня, що з'єднуються між собою титановими гвинтами, та методика пружно-стабільного комбінованого остеосинтезу, яка дозволяє підвищити якість фіксації та ступінь надійності остеосинтезу.

Експериментально доведено можливість використання комбінацій вуглецевих і титанових імплантатів у клінічних умовах, що зумовлено мінімальними показниками електрохімічної активності гальванопари титан-ВВКМ.

Математичне моделювання методом кінцевих елементів показало достатні механічні характеристики запропонованої моделі пружно-стабільного остеосинтезу за основними показниками напружено-деформованого стану. Проведені стендові біомеханічні дослідження носійної здатності показали кращі механічні характеристики моделі пружно-стабільного комбінованого остеосинтезу з використанням вуглецевих композиційних імплантатів порівняно з моделлю накісткового металоостеосинтезу.

Проведена клінічна апробація запропонованої моделі пружно-стабільного остеосинтезу довела можливість раннього функціонального навантаження і розробки рухів у суміжних суглобах; раннього дозованого осьового навантаження кінцівки.

Отримані дані визнають перспективним використання вуглецевих імплантатів для остеосинтезу довгих кісток кінцівок у хворих похилого віку.

Ключові слова: вуглець-вуглецевий композиційний матеріал, імплантати, остеосинтез.

АННОТАЦИЯ

Рами М.А. Абу Хамде Самара. Экспериментально-биомеханическое обоснование применения углеродных имплантатов для лечения переломов длинных костей у пациентов пожилого возраста. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук по специальности 14.01.21 - травматология и ортопедия. - Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И.Ситенко АМН Украины, Харьков, 2004.

Диссертация посвящена обоснованию использования углеродных имплантатов для остеосинтеза длинных костей.

В настоящее время в лечении переломов длинных костей у пожилых больных на фоне снижения прочности костной ткани имеет место проблемная ситуация, которая заключается в том, что используемыми средствами фиксации трудно добиться надежного соединения костных фрагментов и удержать их на длительный срок без потери качества фиксации. Идеальным в таких условиях представляется остеосинтез, который обеспечит надежное длительное механическое скрепление костных отломков на срок, необходимый для сращения, без потери качества фиксации; возможность быстрого восстановления уровня мышечной функции и физиологической активности, существовавший до травмы; будет способствовать быстрейшему сращению перелома, не снижая уровня жизни пациента.

Разработана модель комбинированного накостно-внутрикостного остеосинтеза, отвечающая этим требованиям, и предложен оригинальный комбинированный фиксатор из углеродного композиционного материала, модуль упругости которого соответствует кортикальному слою кости, состоящий из накостной пластины и внутрикостного стержня, и теоретически обоснована целесообразность его применения. Внутрикостный стержень обеспечивает прочную заделку фиксирующего винта и упруго-эластические свойства соединению костных отломков. Накостная пластина снижает нагрузки, возникающие в стержне, за счет повышения пространственной жесткости конструкции и дополнительно упрочняет заделку фиксирующего винта. И пластина, и внутрикостный стержень соединены титановыми винтами, которые проходят также через оба кортикальных слоя кости в различных плоскостях, что повышает прочность соединения элементов конструкции и костных отломков.

Учитывая применение разнородных имплантационных материалов в одной конструкции, изучена электрохимическая активность углеродного материала в паре с другими металлами, используемыми для остеосинтеза в статическом состоянии и в условиях трения поверхностей контактирующих имплантатов.

Экспериментально доказана возможность использования комбинаций углеродных и титановых имплантатов в клинических условиях, что обусловлено минимальными показателями электрохимической активности гальванопары титан-УУКМ

Методом конечных элементов (МКЭ) рассчитаны необходимые прочностные параметры фиксатора с учетом прочности неповрежденной кости. Анализ напряженно-деформированного состояния системы фиксатор-кость при использовании разработанной модели остеосинтеза показал достаточные механические характеристики предложенного фиксатора: показатели податливости системы фиксатор-кость одного порядка с моделью интактной кости, а суммарные напряжения - меньше разрушающих. Жесткость модели предложенного остеосинтеза составляет 66% жесткости модели интактной кости. Модель предложенного комбинированного остеосинтеза показала лучшие характеристики в сравнении с моделью стандартного накостного остеосинтеза металлическими пластинами (напряжения по Мизесу меньше почти в 7 раз, податливость в 1,34 раза).

Эти данные подтверждены биомеханическими испытаниями. Исследовали прочностные характеристики модели накостного остеосинтеза металлической пластиной с 6 винтами и модели разработанного комбинированного остеосинтеза углеродными имплантатами той же длины с 6 винтами на изгиб, моделируя усилия, возникающие в сегменте при отведении конечности.

Стендовые испытания показали очевидные преимущества модели упруго-стабильного комбинированного остеосинтеза с использованием углерод- углеродных композиционных материалов.

Надежность данной модели остеосинтеза выше в сравнении с остеосинтезом металлической накостной пластиной, так как предлагаемая модель выдерживает гораздо большие нагрузки в сравнении с накостным металлоостеосинтезом.

Предлагаемая модель остеосинтеза допускает упругую деформацию в зоне перелома, что дает основание рассчитывать на сращение путем периостального костеобразования.

Клиническая апробация разработанной методики остеосинтеза проведена у 3 больных с диафизарными переломами бедренной кости. Результаты клинической апробации показали, что при использовании предложенной методики оперативного лечения больных старшей возрастной группы клинические признаки сращения (возможность одноопорного стояния) отмечаются к 3 месяцам с момента операции. Рентгенологические признаки сращения (отсутствие видимой линии перелома, наличие плотной периостальной костной мозоли) отчетливо видны к 6-7 месяцам с момента операции. Движения в тазобедренном и коленном суставах оперированной конечности возможны со второго-третьего дня после операции. С третьего-пятого дня после операции возможна ходьба на костылях с дозированной опорой на оперированную конечность (что связано с возрастом больных и сложностями их передвижения на костылях). К 6-7 месяцам формируется полноценная (по механическим свойствам) костная мозоль, которая позволяет осуществлять полную осевую нагрузку на оперированную конечность.

Полученные данные позволяют признать возможным и перспективным использование имплантатов из углерод углеродного композиционного материала для остеосинтеза длинных костей конечностей и рекомендовать такие имплантаты для клинического использования.

Ключевые слова: углерод-углеродный композиционный материал, имплантаты, остеосинтез.

SUMMARY

Rami M.A. Abu Hamdeh Samara. Experimental Biomechanical Substantiation of Using the Carbonic Implants for Treating the Fractures of Long Bones in Patients of Elderly Age. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Medical Sciences (Ph.D. (Medicine)) specializing in Traumatology and Orthopedics (14.01.21) - Institute of Spinal and Joint Pathology named after M.I.Sitenko of Academy of Medical Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2004.

This dissertation is devoted to substantiation of using carbonic implants for osteosynthesis of long bones. There are developed implants of carbon composite material for osteosynthesis of shaft fractures of long bones in the form of an external plate and intra-bone core connected with titanous screws, and technique of springy and stable and combined osteosynthesis allowing to improve quality of fixation and reliability degree of osteosynthesis.

Experiments proved the possibility of using the combinations of carbonic and titanous implants in clinical conditions characterized with minimum electrochemical activity of galvanic coupling titanium-CCCM (carbon-carbon composite material).

Mathematical modeling by method of finite elements showed sufficient mechanical characteristics of the proposed model of springy and stable osteosynthesis by main characteristics of strain-stress state. Bench biomechanical tests of carrying ability displayed better mechanical characteristics of the model of springy and stable combined osteosynthesis using carbonic composite implants in comparison with the model of external metal osteosynthesis.

Clinical approbation of proposed model of springy and stable osteosynthesis proved the possibility of early functional load and development of movements in adjacent joints; early dosed axial stress of limb.

The acquired data shows perspective of using the carbonic implants for osteosynthesis of long bones of limbs in patients of elderly age.

Key words: carbon, carbonic composite material, implants, osteosynthesis.

Размещено на Allbest.ru

...