Исторический очерк эндопротезирования суставов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предмет "Физиологические аспекты создания и использования биоматериалов"

Восстановление утраченной подвижности в суставах было и остается актуальной проблемой ортопедии. С конца ХIХ в. сделано множество попыток ее решения. В историческом плане их можно разделить на пять этапов:

артропластика с остеотомией (операция восстановления функций сустава с рассечением кости);

артропластика с интерпозицией, т.е. с помещением тканей между суставными концами костей;

реконструктивная (восстановительная) артропластика;

внутрисуставное (частичное) эндопротезирование;

тотальное эндопротезирование.

История эндопротезирования суставов началась в 1890 г., когда Глюк (Th. Gluck) заменил части коленного и тазобедренного суставов эндопротезами из слоновой кости. Спустя 4 года Пин (J.E. Pean) заменил проксимальную часть плечевой кости эндопротезом, изготовленным из платины. Он применил платину, т.к. имел опыт использования имплантатов из стали и железа, которые подверглись коррозии.

Эндопротез тазобедренного сустава является в настоящее время наиболее совершенной конструкцией искусственного сустава. В 1919 г. французский хирург Делбе (Delbet) применил для оперативного лечения больных с переломами шейки бедра армированный резиновый эндопротез головки бедренной кости. Робинье (R.Robineau) предложил (1927 г.) в качестве материалов для однополюсных эндопротезов тазобедренного сустава бакелит и эбонит. Единичные попытки имплантации таких эндопротезов закончились нагноением.

Конец 30-х годов ХХ в. ознаменовался началом интенсивного изучения реакции организма на металлы. Вайлс (Wiles) в 1938 г. применил имплантаты из нержавеющей стали для замены бедренного и вертлужного компонентов тазобедренного сустава с фиксацией винтами и поддерживающей пластиной. В это же время Вэнэйбл (С.S. Venable), проведя эксперименты на животных, разработал хромо-кобальтовый сплав для эндопротезов суставов и назвал его Виталиум. Он состоял из Cr (30%), Мо (5%) и Со (65%). Этот сплав и в настоящее время используется в металлоконструкциях для травматологии и ортопедии. В 1940 г. Мур (А.Т.Moore) имплантировал эндопротез головки бедра, изготовленный из Виталиума. Братья Жюде (Judet) в 1950 г. предложили металлополимерный эндопротез проксимальной части бедра, состоящий из акриловой головки и стержня из нержавеющей стали. Однако их эндопротез, подобно эндопротезу Мура, приводил к износу хряща (хондролизу) и протрузии вертлужной впадины.

Несколько иной эндопротез головки и шейки бедра был изобретен Томпсоном (F.R. Thompson) в 1951 г. Головка и шейка были сформированы на искривленном стержне, повторяющем проксимальный отдел бедра. Хирурги попытались совместить эндопротезы головки бедра Томпсона и Мура с металлической чашкой, но пришли к выводу, что трение металла по металлу вызывает недопустимое концентрирование частиц износа в капсуле сустава, приводящее к химическому абсцессу. В начале 50-х годов Хэбоуш (E.J.Haboush) впервые применил акриловую мономер-полимерную смесь для фиксации однополюсного эндопротеза, выполненного из Виталиума.

Все эти имплантаты имели один и тот же конструктивный недостаток - их короткая ножка не могла обеспечить надежной фиксации в костно-мозговом канале бедра, что отрицательно сказывалось на отдаленных результатах эндопротезирования. Пытаясь противодействовать расшатыванию, Джепсон (J. Jepson, 1948) и Петерсон (L.T. Peterson, 1951) предложили стальные конструкции, в которых короткая ножка с помощью накостной пластины винтами фиксировалась к диафизу бедренной кости. Петерсон восполнял дефект кости между искусственной головкой и остатками шейки бедра металлическими шайбами различной толщины.

Другое направление разработки эндопротезов головки бедра - конструкции с длинной ножкой, создатели которых стремились обеспечить передачу физиологической нагрузки по продольной оси бедра. Эти ножки были двух типов: прямые и изогнутые. Для предупреждения проседания ножки в костно-мозговой канал большинство эндопротезов с прямой ножкой имели опорную площадку ("воротничок"). Семейство эндопротзов с длинной изогнутой ножкой предусматривало сохранение межвертельной области (шейки бедра). Создание таких конструкций Муром, Томпсоном, Жюде и др. составило важный этап в развитии реконструктивной хирургии тазобедренного сустава. В 1951 г. круглая ножка была заменена трехгранной, чтобы предотвратить ее вращение в костно-мозговом канале, а опорная площадка расширена, чтобы препятствовать оседанию эндопротеза в бедренной кости.

К середине 50-х годов в мире насчитывалось свыше 50 разновидностей эндопротезов головки бедра. Успех операций внутрисуставного эндопротезирования побуждал к расширению показаний к этому вмешательству, включая деформирующий артроз тазобедренного сустава. Однако со временем выяснилось, что искусственная головка бедра в процессе эксплуатации вызывает тяжелые изменения со стороны суставного хряща вертлужной впадины. В качестве противодействия этому были предложены конструкции со свободно вращающейся головкой, но они не оправдали возлагавшихся на них надежд.

Таким образом, неудачи эндопротезирования головки бедра объяснялись, в основном, двумя причинами: недостаточно прочной фиксацией ножки и воздействием искусственной головки на вертлужную впадину.

В 50-е годы ХХ в. начались работы по созданию эндопротеза вертлужной впадины. Основоположником таких конструкций считают американского хирурга Уриста (М.R. Urist). Все предложенные в это время конструкции искусственной вертлужной впадины расшатывались и вызывали деструктивные изменения в суставном хряще головки бедренной кости. Поэтому одновременно с разработкой однокомпонентных эндопротезов начались исследования по созданию тотальных искусственных суставов.

На ранних этапах тотального эндопротезирования головку бедра преимущественно замещали протезами Жюде, Мура, Томпсона, а вертлужную впадину - чашками Уриста и др., но из-за несоответствия компонентов друг другу часто происходили вывихи бедренного компонента и миграция эндопротезов. Поэтому возникла потребность в тотальных эндопротезах, компоненты которых были бы взаимозаменяемы. Разработка таких искусственных суставов шла по двум направлениям с соединенными и разъемными компонентами.

Над конструированием эндопротезов с разъемными компонентами много работал МакКи (G.K. McKee, Англия). Имплантированный им в 1951 г. искусственный тазобедренный сустав состоял из сферической чашки, которая крепилась к костям таза винтами, и сопряженной с ней сферической головки на короткой ножке.

Рис. 1. Создатели классических методов ортопедии и конструкций эндопротезов суставов

В СССР в 1956 г. К.М. Сивашом (рис. 1.) был предложен цельнометаллический неразборный тотальный эндопротез тазобедренного сустава, который в то время нашел широкое применение в ортопедической практике. В процессе создания эндопротеза и метода его имплантации К.М. Сиваш решил три фундаментальные проблемы:

1) разработал пригодную к многолетней эксплуатации оригинальную конструкцию эндопротеза;

2) подобрал металлы для пары трения (сплав CoCrMo) и неподвижных несущих деталей (титан) эндопротеза по критериям биосовместимости, электрохимической однородности, износостойкости и усталостной прочности;

3) разработал методику операции с механической фиксацией эндопротеза и обосновал ее, экспериментально изучив процессы репаративной (восстанавливающей) регенерации костной ткани.

В 1966 г. Ринг (P.A. Ring) создал свой вариант тотального металлического эндопротеза тазобедренного сустава с разъемными компонентами. Бедренный компонент представлял собой видоизмененный эндопротез Мура, а чашка имела конусную форму и несла вкладыш из высокомолекулярного полиэтилена.

Несмотря на наличие ярких имен в истории искусственных суставов, наибольшие заслуги в их создании признаны за английским ортопедом (рис. 1.) Джоном Чанли (J. Charnley). Революцию в эндопротезировании сделали две идеи Чанли: имплантировать искусственный тазобедренный сустав на костном цементе и обеспечить низкое трение в эндопротезах.

Благодаря использованию костного цемента для фиксации бедренного компонента Чанли добился равномерного распределения нагрузки на губчатую часть проксимального отдела бедренной кости. Он считал, что костный цемент выполняет функции не только адгезива. Заполняя свободный объем между имплантатом и кортикальным слоем кости, цемент обеспечивает высокую первичную стабильность эндопротеза и передает механическую нагрузку на большую площадь костного ложа. Чанли уменьшил диаметр головки бедренного компонента до 22 мм, что позволило значительно снизить момент трения в эндопротезе.

В 1958 г. Чанли впервые имплантировал эндопротез тазобедренного сустава, в котором тазовый компонент был изготовлен из тефлона. Ближайшие результаты операций были впечатляющими, однако быстрый износ чашки и отрицательная реакция тканей на продукты изнашивания тефлона заставили от него отказаться. В 1962 г. Чанли заменил тефлон на сверхвысокомолекулярный полиэтилен, который до сих пор остается самым надежным полимерным материалом для эндопротезов суставов.

На основе полученных результатов Чанли сформировал принцип низкофрикционной артропластики, который до сих пор реализуется в конструкциях искусственных суставов. Его суть состоит в том, что 1) пара трения эндопротеза должна иметь min коэффициент трения; 2) момент трения, действующий на тазовый компонент и расшатывающий его, следует снижать путем уменьшения диаметра головки и увеличения толщины стенок искусственной впадины.

Разработанный Чанли тотальный эндопротез тазобедренного сустава, получивший название "золотой стандарт", не претерпел существенных изменений до настоящего времени. Заслугой Чанли является создание сверхстерильных операционных блоков, что позволило снизить частоту послеоперационных гнойных осложнений с 10% до 1%. Он создал научные основы оценки отдаленных результатов эндопротезирования суставов, анализа послеоперационных осложнений и поиска путей их профилактики.

Швейцарский ортопед Мюллер (М.Е. Muller) (рис. 1.) модифицировал эндопротез Чанли, применив для крепления тазового компонента опорное кольцо, которое фиксировалось винтами к вертлужной впадине. Мюллер оптимизировал форму ножки, закрепляемой в костно-мозговом канале бедра, и предложил увеличить диаметр шаровой головки тотального эндопротеза до 32 мм. ортопедия артропластика остеотомия внутрисуставной

Совершенствование эндопротезов тазобедренного сустава с цементной и бесцементной фиксацией продолжается до настоящего времени. В 1990-х Р. Матис (R. Mathys) (рис. 1.) создал работающий в резонанс с костью эндопротез, известный под названиями "Изоэластик" и "Изотитан" с металлическими ножками, облицованными полимером. С именем Матиса связано производство гаммы современных эндопротезов суставов, уникальных по клинической эффективности и ставших эталоном в ортопедической индустрии.

В последних конструкциях эндопротезов суставов используются современные марки коррозионностойких сталей и сплавов, покрытия упрочняющие или обеспечивающие врастание костной ткани в имплантат, износостойкие модификации сверхвысокомолекулярного полиэтилена, а также новая керамика, стойкая к ударным нагрузкам. В современной технологии эндопротезов применяют прецизионное электрополирование, лазерную обработку, станки с ЧПУ, компьютерные проектирование и обработку, робототехнику.

Исторически сложилось так, что разработчики искусственных суставов уделили наибольшее внимание эндопротезу тазобедренного сустава. Это было вызвано высокой вероятностью травмирования и заболеваний тазобедренного сустава, что выдвинуло задачи по его эндопротезированию в главную проблему ортопедии второй половины ХХ в. Тем не менее, в 194070-е годы были созданы и прошли апробацию эндопротезы практически всех суставов.

Эндопротезирование коленного сустава вошло в клиническую практику в 1950-е годы. Английский хирург Макинтош (D.L. Makintosh) стал устанавливать акриловые эндопротезы на опорную поверхность большеберцовой кости в 1958 г. Через два года МакКивер (D.C. McKeever) предложил такой же протез выполнять из сплава Сr-Co и крепить его к кости с помощью двух "лезвий", расположенных по нормали друг к другу.

Опорная часть дистального конца бедренной кости впервые была заменена в 1964 г.. Он имел вид двухмыщелковой чашки, закрепленной на длинной металлической ножке, которую фиксировали в костно-мозговом канале бедренной кости. В 1967 г. Платт (G. Platt) сконструировал чашку, которую он помещал на опорную поверхность бедра без фиксации. Позднее Гэрепи (G. Gariepy) предложил закреплять ее винтами.

Бечтол (В. Bechtol) впервые разработал эндопротез надколенника. Братья Жюдэ сконструировали акриловый тотальный эндопротез коленного сустава в 1947 г., но не решились применить его на практике. В 1949 г. итальянский хирург Майнони д'Интигнано (G.M. Majnoni d'Intignano) впервые имплантирован тотальный эндопротез с узлом трения в виде дверной петли, который обеспечивал только сгибание-разгибание ноги в колене. Валдиус (B. Walldius) с 1951 г. начал использовать аналогичные эндопротезы с акриловыми деталями, но уже в 1958 г. перешел на металлические. Для работы "петлевого" эндопротеза не требовался сильный связочный аппарат колена, но возникла проблема фиксации частей эндопротеза в костях из-за больших механических нагрузок в коленном суставе, имеющем много осей вращения. Часто происходившие расшатывание и поломки "петлевых" эндопротезов послужили Юнгу (Н.Н. Young) основанием для заявления, что коленный сустав не подлежит эндопротезированию.

Первый нежесткий тотальный эндопротез коленного сустава был сконструирован Гунстоном (F.H. Gunston) в 1968 г., когда он работал вместе с Чанли. Протез Гунстона позволял сохранить коллатеральные и крестообразные связки колена благодаря min резекции кости. Бухгольц (Н.W. Buccholz) и Энгельбрехт (Е. Engelbrecht) разработали в 1969 г. в Гамбурге эндопротез "St. Georg". Он состоял из четырех деталей, которые повторяли контур мыщелков бедра и скользили как сани по компонентам, имитирующим опорную часть большеберцовой кости. Позднее опорной пластине стали придавать лоткообразную форму с целью повышения стабильности "санного" эндопротеза, т.к. обязательным условием для его имплантации было наличие хороших связок и сильной мускулатуры. В 1971 г. группа американских ортопедов (M.G. Coventry и др.) предложила тотальный эндопротез коленного сустава названный геометрическим.

В 70-е годы в Париже был разработан протез GUEPAR, содержащий детали из полиметилметакрилата. Кауфер (H. Kaufer) с сотрудниками попытался добиться стабильности эндопротеза и устранить недостатки, присущие "петлевому" эндопротезу с помощью металлического шарнира типа шар-гнездо. М.Фримэн (M. Freeman) предложил конструкцию эндопротеза, стабильность которого обеспечивалась оригинальным роликовым механизмом.

В 1979 г. в Гамбурге был разработан и до сих пор успешно применяется так называемый ротационный тотальный эндопротез коленного сустава. Он состоит из двух металлических частей, которые крепятся с помощью ножек в костно-мозговых каналах бедра и голени. Ротационный протез совмещает достоинства шарнирного и санного эндопротезов. Сгибание ноги в колене и вращение стопы обеспечиваются с помощью специальной крестовины, установленной в межмыщелковой коробке, которая размещена в бедренной части протеза. С наибольшим успехом ротационный протез применяют при недостаточности связочного аппарата, но при сильных мышцах бедра и голени.

Эндопротезирование голеностопного сустава впервые было выполнено Глюком в 1890 г. Операция включала резекцию части таранной кости и введение в ее канал конических пробок для фиксации эндопротеза. К сожалению, очень скоро произошло его расшатывание. Только в 70-е годы Энгельбрехтом, Фримэном, Смитом (R.C. Smith) и другими были разработаны более совершенные эндопротезы голеностопного сустава, но и они не дали полностью удовлетворительных результатов. Поэтому артродез остается наиболее часто применяемой операцией при деструктивных артритах голеностопного сустава.

Плечевой сустав был впервые заменен эндопротезом в 1894 г. Пином. В 50-е годы появились многочисленные конструкции более совершенных эндопротезов плечевого сустава. Хирург из Нью-Йорка Нир (C.S. Neer) сконструировал в 1952 г. оригинальный эндопротез плечевого сустава, в котором Стилбринк (G. Stillbrink) применил чашку из полиэтилена высокой плотности, устанавливаемую в суставную ямку лопатки. Усовершенствования эндопротезов плечевого сустава, продолжающиеся до настоящего времени усилиями ортопедов всего мира, не внесли принципиальных изменений в эти конструкции.

Эндопротез локтевого сустава был впервые установлен в 1925 г. французским хирургом Робинье (R. Robineau). Он был изготовлен из металла и снабжен резиновым покрытием, применявшимся в зубоврачебной практике. Борма (I. Boerma) и де Ваард (D.J. de Waard) сделали первую операцию по имплантации эндопротеза, закрепленного в костях предплечья и плечевой кости. Акриловые протезы локтевого сустава были применены в 1947 г., а нейлоновые - в 1954. В 50-е годы появились индивидуальные, т.е. сделанные по заказу, эндопротезы,а в 70-е были разработаны шарнирные эндопротезы локтевого сустава.

В начале 70-х Кунрэд (R.W. Coonrad) приступил к разработке искусственного локтевого сустава с жестким шарниром типа петли, который был усовершенствован Морреем (B.F. Morrey) с сотр. Получил известность эндопротез с жестким шарниром "Stanmore", полужесткие протезы Притчарда (R.W. Pritchard) и Шлейна (A.P. Schlein) обеспечивали вращение в локтевом суставе вокруг двух или трех осей. В 80-е годы было разработано несколько конструкций тотальных эндопротезов локтевого сустава с несвязанными деталями узла трения. В 1951 г. Карр (C.R. Carr) и Ховард (J.W. Howard) использовали металлический колпачок, а Свэнсон (A.B. Swanson) - колпачок из силиконовой резины при оперативном лечении сломанной головки лучевой кости.

Эндопротезированию лучезапястного сустава предшествовала выполненная в 1969 г. Гшвендом (N. Gschwend) и Лэлайвом (P. Lalive) операция по полной артропластике запястья. В 1973 г. Меули (H.C. Meuli) имплантировал эндопротез с цапфой типа шар-гнездо собственной конструкции. Вольц (R.G. Volz) разработал в 1976 г. сочлененный жесткий эндопротез. Упомянутый ранее Свэнсон использовал эндопротез в виде стержня из силиконовой резины (подобный его же протезу пястно-фалангового сустава), который служил вставкой при резекционной артропластике лучезапястного сустава.

Эндопротезы суставов кисти стали применять в конце 40-х годов. Впервые полное замещение ладьевидной кости металлическим эндопротезом было выполнено в 1948 г. Вогом (T.R.Waugh). В 1959 г. Брэннон (E.W.Brannon) и Kлейн (G. Klein) разработали металлический шарнирный протез для пястно-фалангового сустава. Затем появился получивший широкое рапространение аналогичный протез Флатта (A.E.Flatt). Вскоре выяснилось, что эндопротезы из твердых материалов травмируют суставной хрящ соседних костей, вследствие чего дегенеративные изменения в кистевом суставе быстро прогрессируют. Поэтому Свэнсон стал применять эластичные эндопротезы пястно-фалангового и межфалангового суставов, выполненные из силиконовой резины. Аналогичные протезы были разработаны И.А. Мовшовичем в 1976 г. В 1971 г. Найбауэр (J.J. Niebauer) имплантировал протезы того же назначения, выполненные из силиконового пластика с дакроновым стержнем. Через год появились эндопротезы на основе полипропилена. Успехи тотальной артропластики на суставах с применением полиметилметакрилата вдохновили Стэфи (A.D. Steffe) на фиксацию эндопротезов кисти с помощью костного цемента. Однако уже в середине 70-х цементные эндопротезы суставов кисти перестали применять из-за расшатывания и других осложнений.

Многие конструкции эндопротезов суставов, разработанные на заре имплантационной артропластики, используются до сих пор, хотя большинство из них вытеснено протезами новых поколений. Однако, несмотря на обилие современных типов эндопротезов, в которых реализованы уникальные свойства новых материалов, можно утверждать, что сегодняшние успехи эндопротезирования суставов базируются на новаторских идеях передовых хирургов прошлого века, которые внесли колоссальный вклад в становление эндопротезирования как актуального направления ортопедии.

Размещено на Allbest.ru