Конструирование эндопротеза тазобедренного сустава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предмет «Физиологические аспекты создания и использования биоматериалов»

Биомеханическая модель тазобедренного сустава предполагает возможность его вращения вокруг трех осей. Это предопределило принципиальную схему эндопротеза (рис. 1) в виде стержня (ножки), закрепленного в бедренной кости и снабженного шаровой головкой. Последняя находится в подвижном контакте со сферической полостью, выполненной в чашке, которая зафиксирована в вертлужной впадине тазовой кости.

Базовые конструкции тотального эндопротеза тазобедренного сустава отличаются по способам фиксации компонентов и форме ножки. Классическая изогнутая ножка (жаргонное название - «банан») предложена Дж. Чанли. Разработанный им цементный эндопротез “Charnley” признан «золотым стандартом» в эндопротезировании. Технический ресурс созданных на его основе эндопротезов “EliteTM” и “EliteTM Plus” в 92,5 % случаев имплантации составляет не менее 30 лет. Разработанная М. Мюллером альтернативная биомеханическая концепция эндопротеза привела к созданию цементного эндопротеза “Straight stem” с прямой ножкой. Его считают эталоном по критериям выживаемости и простоты имплантации. Все другие применяемые в настоящее время эндопротезы тазобедренного сустава являются вариантами этих двух базовых конструкций. Ниже рассмотрены конструкционные особенности основных деталей эндопротеза.

Ножка эндопротеза должна быть неподвижно закреплена в костно-мозговом канале бедренной кости, чтобы создать жесткую опору для имплантата.

Бесцементную фиксацию осуществляют путем прессовой посадки ножки в канал. В первых конструкциях бесцементных эндопротезов К.М. Сиваша и И.А. Мовшовича ножки имели круглую или овальную форму поперечного сечения, обеспечивающую максимальное заполнение полости костно-мозгового канала. Это обусловливало возникновение растягивающих напряжений в бедренной кости, что существенно (с 2,5 до 1,4 т) снижало ее несущую способность.

Площадь поперечного сечения ножек лучших на сегодняшний день бесцементных эндопротезов “Spotorno” и “Zweymuller” меньше площади канала на большей части длины ножки. Ножка “Spotorno” заполняет почти весь канал только в проксимальной (ближайшей к туловищу), а “Zweymuller” - в дистальной (удаленной от туловища) частях бедренной кости, рис. 2 Обе ножки - прямые и имеют форму клина с вершиной в дистальной части. Ножка “Spotorno” снабжена острыми коническими ребрами, расположенными параллельно оси клина. Это обеспечивает немедленную интраоперационную механическую фиксацию (press-fit) ножек в канале бедренной кости. Обе ножки пользуются большой популярностью у ортопедов Европы.

Ножки с цементной фиксацией имплантируют в основном больным пожилого возраста или с выраженным остеопорозом проксимального отдела бедренной кости. На рис. 3. показаны схемы распределения механических напряжений вокруг имплантированных изогнутой ножки Чанли и прямой ножки Мюллера.

Видно, что поля напряжений в зонах контакта ножка-цемент, ножка-кость и кость-цемент создаются под действием радиальной R и тангенциальной T составляющих общей нагрузки N на эндопротез. Прямая ножка Мюллера (б) имеет участки касания с костью, на которых цементная мантия прерывается, и поэтому на нее передается меньшая нагрузка. Создаваемые силой Т напряжения сжатия в контакте прямой ножки с проксимальной частью бедренной кости гораздо ниже, чем в случае изогнутой ножки. Прямая ножка при забивании в костно-мозговой канал самоцентрируется. Чтобы не допустить разнотолщинности цементной мантии, изогнутые ножки Чанли снабжают централизаторами, которые установлены на конце ножки.

Первые конструкции прямой ножки имели «воротничок» для опоры на торец опила бедренной кости. Однако затем Мюллер отказался от него, т.к. во-первых, технически сложно резицировать кость таким образом, чтобы достичь идеальной посадки воротничка, и, во-вторых, ножки с воротничком все равно оседают в канале бедренной кости из-за лизиса ее торца.

Для снижения концентрации напряжений на стенках костно-мозгового канала и обеспечения равнотолщинности цементной мантии В. Линк (W. Link) предложил так называемую анатомическую изогнутую форму ножки (рис. 4).

Ножки эндопротезов тазобедренного сустава выполняют из металла. Эндопротезы с ножками из полимерных композитов еще не вышли из стадии испытаний и не нашли свою нишу на рынке медицинской техники.

В верхней части ножка переходит в шейку, расположенную под углом к оси бедренной кости, который может изменяться от 115о до 145о. Величина угла зависит от анатомических особенностей пациента и конструкции тазового компонента эндопротеза. Шейка оканчивается стандартным конусом.

Во многом благодаря хорошим исходам операций эндопротезирования с использованием ножек описанных выше конструкций, бурный процесс разработки новых ножек в последние десятилетия если не приостановился, то значительно замедлился.

Рис. 4 Сечения сагиттальной плоскостью бедренных костей с имплантированными ножками эндопротезов: а - “Straight stem”, б - “Link SР” анатомической формы (черным цветом обозначена цементная мантия)

Рис. 5 Поперечный разрез узла трения тотального эндопротеза тазобедренного сустава: 1 - шейка ножки, 2 - конусное окончание шейки, 3 - керамическая шаровая головка, 4 - вкладыш из СВМПЭ

Шаровая головка эндопротеза тазобедренного сустава в первых конструкциях эндопротезов выполнялась совместно с ножкой, а в современных модульных - устанавливается на коническом окончании шейки (рис. 5). Это дает возможность оснащать металлические ножки головками, выполненными из керамики или металлических сплавов.

В головках выполнено конусное отверстие, отвечающее конусу на конце шейки. Стандартный конус, применяемый в модульных конструкциях эндопротезов суставов это инструментальный конус Морзе с углом при вершине 543'30''. В машиностроении при механической обработке используют инструменты (фрезы, сверла, развертки и т.п.) с коническими хвостовиками, которые устанавливают в конусные гнезда шпинделей станков. Большой момент трения, возникающий в таком соединении, предохраняет инструмент от проворачивания в шпинделе при обработке металлов. Применение конусов Морзе обеспечивает быстрое и удобное крепление головок на ножках, точность их центрирования и надежность подвижных соединений эндопротезов. На стандартных ножках используют конус Морзе с диаметрами 12 и 14 мм. Головка должна «садиться» на шейку по плотной посадке. Иначе радиальные перемещения головки при ходьбе могут инициировать щелевую коррозию сопряжения и даже привести к поломке керамических головок.

Дж. Чанли, реализуя выдвинутую им концепцию низкого трения в искусственном суставе, рекомендовал изготавливать головки тотального эндопротеза тазобедренного сустава диаметром 22 мм. Эндопротезы, разработанные в 1960-х годах М. Мюллером совместно с Р. Матисом, имели головки диаметром 24 мм. Первый эндопротез Мюллера с прямой ножкой Setzholzprotese был укомплектован головкой диаметром 32 мм с целью увеличения объема движения в искусственном суставе и снижения вероятности вывихивания головки. Современные конструкции тотального эндопротеза тазобедренного сустава выпускаются со сменными головками диаметром 28 и 32 мм. Большое значение придается исходной шероховатости головки, которая регламентирована стандартом.

Для регулирования высоты установки головки на ножке, подобранной по размерам костно-мозгового канала, выпускают головки трех типо-размеров (s, m, l - short, medium, long) в зависимости от глубины посадки на шейку.

Чашка эндопротеза тазобедренного сустава представляет собой эндопротез вертлужной впадины тазовой кости, т.е. выполняет функцию детали трения, работающей в паре с шаровой головкой. Деталь трения изготавливают из СВМПЭ, металлических сплавов или керамики.

На рис. 6 изображены чашки из СВМПЭ, закрепляемые с помощью костного цемента (а, б), винтов (в) или прессовой посадки (г). На поверхностях чашек а в, обращенных в сторону кости, выполнены кольцевые канавки и пазы, расположенные по меридианам, для затекания цемента и врастания кости. В одну из нижних канавок помещено тонкое металлическое кольцо для рентгенологической оценки правильности имплантации чашки. S-образная чашка (б) с фланцами позволяет при фиксации поддерживать высокое давление цемента и обеспечивает его проникновение в костную ткань.

Рис. 6. Выполненные из СВМПЭ чашки эндопротезов тазобедренного сустава: а - Мюллера, б “EliteTM Plus”, в - Матиса, г - Моршера. 1 - корпус из СВМПЭ, 2 - кольцевые канавки, 3 - пазы, 4 - металлическое кольцо, 5 - опорный штифт, 6 - отверстие под шуруп, 7 - сетчатое покрытие

Чашка, изображенная на рис. в, крепится в вертлужной впадине с помощью опорных штифтов и специальных спонгиозных (для губчатой кости) шурупов. Для улучшения вторичной фиксации на контактирующую с костью поверхность таких чашек наносят покрытие из титана или гидроксиапатита. Специальное сетчатое покрытие на наружной поверхности (г) обеспечивает бесцементную press-fit фиксацию чашек Моршера интраоперационно. Полюс такой чашки расположен ниже полюса соответствующей ей сферы, а наибольший диаметр превышает диаметр подготовленной для имплантации ацетабулярной впадины на 1,5 мм. При забивании чашки во впадину она закрепляется сетчатым покрытием в костном ложе по кольцевой площади.

Чаще всего тазовый компонент эндопротеза состоит из нескольких деталей: металлической чашки, механически закрепляемой в вертлужной впадине, и неподвижно зафиксированной в чашке детали трения в виде вкладыша из СВМПЭ, металла или керамики. Фиксация вкладыша является необходимым условием надежной работы эндопротеза. На рис. 7 показаны основные конструкции тазовых компонентов эндопротезов тазобедренного сустава наиболее часто применяемых в настоящее время.

Рис. 7 Конструкции тазового компонента эндопротезов тазобедренного сустава:

Тазовые компоненты (а и б) эндопротезов Мюллера содержат металлическое укрепляющее кольцо, которое крепится шурупами к тазовой кости. Наружная поверхность колец снабжена шероховатыми покрытиями для биологической фиксации в вертлужной впадине. Вкладыш из СВМПЭ, снабженный канавками на внешней поверхности, крепится к кольцу с помощью костного цемента (а). На рис. 7, б изображена конструкция «сэндвич»: вкладыш из СВМПЭ зафиксирован в укрепляющем кольце по прессовой посадке, а в нем установлена деталь трения из металла или керамики.

В эндопротезе Цваймюллера (в) металлическая чашка снабжена винтовой нарезкой. Последняя при ввинчивании чашки в стенки подготовленной для имплантации вертлужной впадины неподвижно закрепляется в ней. Конический вкладыш из СВМПЭ вставляют в коническую полость чашки. Фиксаторы на нижней части вкладыша входят в пазы на краю чашки, предотвращая поворот вкладыша. Сферическая полость вкладыша составляет пару трения с шаровой головкой эндопротеза.

Тазовый компонент эндопротеза Вейла (г) состоит из металлической вворачиваемой чашки с винтовыми ребрами, в которой установлена деталь трения в виде вкладыша, снабженного сферической полостью. Особенностью конструкции является сферический торец чашки, снабженный специальным сетчатым покрытием, которое инициирует врастание костной ткани и остеоинтеграцию с имплантатом.

Чашка эндопротеза Споторно (д) выполнена в виде полусферической оболочки, снабженной разрезами по меридианам. Снаружи на оболочке установлены заостренные шипы, расположенные в три кольцевых ряда. Чашку устанавливают в подготовленную для имплантации вертлужную впадину с помощью специальных сжимающих щипцов. После их снятия чашка «раскрывается», но не полностью. С помощью расширительного конуса ей придают правильную форму. Одновременно шипы внедряются в кость, обеспечивая первичную фиксацию чашки. Затем в ее полость вворачивают по резьбе вкладыш из СВМПЭ. Вторичная фиксация происходит при врастании кости в шероховатую поверхность чашки.

На рис. 7, е показан поперечный разрез тазового компонента эндопротеза Link с керамическим вкладышем. В металлической чашке, снабженной винтовой нарезкой на наружной поверхности, установлена и зафиксирована с помощью винтов полиэтиленовая прокладка. В последнюю вставлен керамический вкладыш в виде полой полусферы. Он зафиксирован в чашке с помощью резьбового кольца, ввинченного в прокладку. Достоинства такой конструкции:

уменьшение жесткости искусственного сустава с парой трения керамика / керамика и снижение пиков нагрузки, передаваемых на тазовую кость, за счет упруго-пластичности полиэтиленовой прокладки (шок-абсорбирующий эффект);

облегчение монтажа-демонтажа керамического вкладыша, который контактирует с эластичным полиэтиленом, а не с жестким металлом.

Разновидности конструкций эндопротезов тазобедренного сустава, разработанные на сегодняшний день, многочисленны (порядка тысяч), но, к сожалению, большинство из них не имеет принципиальных отличий от базовых конструкций, и здесь поэтому не рассматриваются. Ниже приведены сведения об оригинальных эндопротезах «Изоэластик» (Isoelastic) и биполярных эндопротезах тазобедренного сустава.

Эндопротез «Изоэластик», разработанный профессором Р. Матисом, имеет ножку в виде металлического стержня, облицованного полимером. Идея эластичной, «работающей» в резонанс с костью, ножки бесцементного эндопротеза тазобедренного сустава активно реализуется в XXI в. Однако клинические испытания эластичных ножек, выполненных из металла, показали, что современная металлургия не в состоянии предложить ортопедам адекватное техническое решение. Все известные на сегодняшний день эластичные конструкции из металла (ножки, выполненные в виде пучка стержней, рассеченные и профильные ножки) оказались подвержены раннему разрушению.

Первые конструкции ножек «Изоэластик» представляли собой отливки из полиацеталя, армированного металлическим кордом. Полиацеталь - термопластичный полимер -СН(СН)3-О-n стереорегулярной кристаллической структуры сходен по физико-механическим характеристикам с диафизарной (относящейся к телу длинной кости) костной тканью. Однако он, как и все технические пластики, биологически не интегрируется с ней. Это было основной причиной сдержанного отношения к ножке «Изоэластик». Проблему удалось решить с помощью полиацеталя марки РЕЕК 450 G. На него можно наносить покрытия из титана, известного своей отличной биосовместимостью и способностью к костной интеграции.

На рис. 8 показана одна из конструкций бедренного компонента эндопротеза «Изоэластик». Видно, что ножка представляет собой металлополимерную систему, состоящую из металлического стержня и полиацеталевой облицовки. Крепление металлической головки на полимерной облицовке шейки осуществлено с помощью расположенного в головке полимерного вкладыша. Он зафиксирован на шейке посредством пластикового кольца, входящего в кольцевые канавки на шейке и вкладыше. Такое крепление головки придает эндопротезу дополнительную эластичность. тазобедренный сустав эндопротез имплантация

Эластичный эндопротез тазобедренного сустава PhysioLogic оснащен металлической шейкой, которая является продолжением армирующего стержня. На стандартном конусе стержня можно устанавливать обычные металлические и керамические головки любых фирм.

Ножка эндопротеза «Изоэластик» позволяет осуществлять бесцементное эндопротезирование у молодых больных (30-40 лет) с низкой плотностью кости, что по мере восстановления нагрузки на ногу дает возможность нарастить костную массу. Возможность фиксации с помощью винтов костных фрагментов к полимерной облицовке, а ее - к костному ложу делает ножку «Изоэластик» имплантатом выбора при:

эндопротезировании с одновременной коррекцией посттравматических и постхирургических деформаций бедренной кости,

эндопротезировании больных с переломами проксимальной части бедра,

тяжелых ревизионных операциях, требующих применения костных трансплантатов.

Биполярные эндопротезы тазобедренного сустава предназначены для замены головки бедренной кости и работают в паре трения с хрящом естественной вертлужной впадины. Известно, что трение в паре металл-хрящ сопровождается ранней потерей хрящом протеогликанов с последующими повреждением поверхности трения и дегенеративными изменениями хряща (хондролиз). Чтобы трение эндопротеза по хрящу происходило в щадящем режиме, биполярный эндопротез имеет оригинальную конструкцию (рис. 9).

Контактирующая с вертлужной впадиной наружная шаровая головка (диаметр от 40 до 58 мм) эндопротеза изготовлена из металлического сплава. В ней выполнена (а) цилиндрическая полость, в которую помещена вставка из СВМПЭ с возможностью вращения вокруг оси цилиндра. Вставка, в свою очередь, содержит сферическую полость, в которой установлена шаровая (диаметр - 22,2 мм) головка бедренного компонента эндопротеза. Геометрическим местом углов поворота шаровой головки в полиэтиленовой вставке имплантированного эндопротеза (б) является объем конуса с вершиной в центре головки и углом при вершине в пределах от 30 (головка надевается на конус ножки) до 50 (головка выполнена заодно с ножкой). Вращение головки в сферической полости вставки, а вставки - в наружной головке значительно уменьшает перемещение эндопротеза в вертлужной впадине и износ хряща.

В первых конструкциях биполярного эндопротеза центры шаровых головок - наружной и укрепленной на ножке - совпадали (рис. 10, а) или имели отрицательный эксцентриситет, когда центр внутренней головки был расположен ниже центра наружной головки (б).

Рис. 10. Распределение сил и возникновение вращательного момента в биполярных эндопротезах при совпадении

В первом случае (а) при работе эндопротеза наружная головка оставалась в положении, в которое ее установили при операции, не проявляя тенденции к самоцентрированию при изменяющихся условиях нагружения искусственного сустава. Во втором (б) - нагружение имплантированного эндопротеза силой Р приводило к возникновению крутящего момента М = Р·b, где b - расстояние между центрами по нормали к направлению действия силы Р. Этот момент поворачивает наружную головку в вертлужной впадине вниз, обусловливая нестабильность эндопротеза.

В современных конструкциях биполярного эндопротеза изначально создают положительный эксцентриситет шаровых головок, т.е. центр внутренней головки расположен выше центра наружной. При нагружении такого эндопротеза (в) возникает самоцентрирующий крутящий момент М = Р·b, который поворачивает наружную шаровую головку в вертлужной впадине таким образом, что центры вращения обеих головок устанавливаются (г) по оси нагружения. В результате эндопротез приобретает стабильность и устанавливается в вертлужной впадине в равновесное положение, независимо от его первоначальной установки.

Биполярные эндопротезы «Lima» с парой трения керамика / керамика состоят из наружной металлической шаровой головки, в полости которой установлены тонкостенная чашка из СВМПЭ и внутри нее - керамическая вставка. Последняя содержит сферическую полость, с которой фрикционно взаимодействует внутренняя шаровая головка из керамики, установленная на ножке эндопротеза. Для фиксации внутренней головки в сферической полости вставки используют запорное кольцо, вворачиваемое в металлическую головку. Чашка из СВМПЭ практически не участвует в трении, но значительно снижает жесткость искусственного сустава, обеспечивая «шок-абсорбирующий» эффект.

Считают, что в ненагруженном искусственном суставе с биполярным эндопротезом трение происходит с одинаковой интенсивностью в парах хрящ - наружная головка и вставка - внутренняя головка. С увеличением нагрузки трение по хрящу снижается до нуля, а все перемещения искусственного сустава совершаются внутри эндопротеза.

Рассмотренные конструкции эндопротезов в основном покрывают потребности ортопедов в изделиях медицинской техники при эндопротезировании тазобедренного сустава. Тем не менее, улучшение эндопротезов продолжается. Новые оригинальные конструкции особенно интенсивно разрабатывают для ревизионных операций и случаев эндопротезирования, связанных с онкологическими заболеваниями тазобедренного сустава.

Размещено на Allbest.ru