Експериментальні дослідження міцнісних характеристик міжтілових кейджів із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Експериментальні дослідження міцнісних характеристик міжтілових кейджів із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу

Корж М.О., Куценко В.О., Попов А.І., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д, Суббота І.А.

ДУ «Інститут патології хребта та суглобів їм. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків,Україна

Резюме. Актуальність. При хірургії хребта для виконання міжтілового спондилодезу використовують переважно титанові імплантати, що бувають цільними або складаються з декількох сегментів. Для онкоконтролю використовуються не тільки лабораторні методи обстеження, але й комп'ютерна томографія (КТ), магнітно-резонансна томографія (МРТ). На КТ у післяопераційному період і з використанням металоконструкції визначається ефект збільшення жорсткості випромінювання або розмите зображення, а на МРТ -- артефакт магнітної сприйнятно/стг Одним із перспективних матеріалів. що відповідає вимогам біосумісності, міцнісним властивостям та не має протипоказань для променевої діагностики, є вуглець-вуглецевий композит. Мета: вивчити в експерименті міцнісні характеристики міжтілових кейджів різних конструкцій із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу. Матеріали та методи. Проведене експериментальне дослідження міцнісних властивостей міжхребцевих імплантатів для заміщення видалених хребців. Усі імплантати були виготовлені з вуглець-вуглецевого композитною матеріалу. Було досліджено чотири типи фіксаторів хребців по три зразки і різьбове з'єднання гвинта зі стаканом, штифт з опорою на шайби. штифт з опорою на шплінт штифт з закріпленням кістковим цементом. Результати. Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що конструкції з різьбовим з'єднанням витримують навантаження 956,7 ± 165,0 Н. Основною поломкою є зрізання різьби на просідання гвинта. Зразки з 1 шайбою розширення витримують найбільше навантаження до руйнування 5000,0 ± 150,0 Н, із 2 шайбами розширення були зруйновані навантаженням 4250,Х х 88,9 Н, із 3 шайбами -- при навантаженні 3083,3 ± 160,7 Н, тобто кожна додаткова шайба розширення х конструкції статистично значущо зменшує величину руйнівного навантаження. Зразки зі шплінтом витримують руйнівне стискаюче навантаження в середньому величиною 2833,3 ± 208,2 Ні яке призводило до розтрощування стакана майже навпіл саме шплінтом, що викликало просідання штифта і Випробування зразків без шплінта показали, що вони здатні витримати статистично значущо більше руйнівне навантаження в 5100,0 ± 100,0 Н. Найбільше стискаючі навантаження витримують цілісні конструкції які не мають дрібних конструктивних елементів -- різьби чи шплінт сі Випробування зразків з цементом показали, що при розсуванні на 5 та 7 мм не відбулося ніяких руйнівних змін при максимально можливому для експериментальної установки навантаженні в 6000 Н Висновки. Найгіршими виявилися конструкції з різьбовим з'єднанням, конструкції зі шплінтом витримували втричі більше навантаження до руйнування. І хоча різьбові конструкції вважаються доволі міцними особливості матеріалу вуглець) не відповідають вимогам, які надають різьбовим з'єднанням. Вуглецеві матеріали доволі крихкі тому і конструкції зі шплінтом також виявилися недосконалими і Конструкції з шайбами розширення показали себе доволі непогано, але збільшення розширення імплантату призводило до зменшення міцності конструкції і, як наслідок, зменшення здатності витримувати навантаження Цілісні конструкції виявилися найбільш витривалими, а додаткова міцність, надана цементом, перетворила їх у монолітні надміцні вироби.

Ключові слова: вуглець-вуглецевий композитний матеріал; кейдж; міжтіловий спондилодез, міцність

Корж Н.А., Куценко В.А., Попов А.И., Карпинский М.Ю., Карпинская Е.Д., Суббота И.А.

ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина

Экспериментальные исследования прочностных характеристик межтеловых кейджей из углерод-углеродного композитного материала

Резюме. Актуальность. При хирургии позвоночника для межтелового спондилодеза используют преимущественно титановые имплантаты, которые бывают цельными или состоят из нескольких частей. Для онкоконтроля используют не только лабораторные методы обследования, но и компьютерную томографию (КТ) и магнитно-резистентную томографию (МРТ). На КТ в послеоперационном периоде с использованием металлоконструкции определяется эффект увеличения жесткости излучения или размытое изображение, а на МРТ -- артефакт магнитной восприимчивости. Одним из перспективных материалов, который соответствует требованиям биосовместимости, прочностным свойствам и не имеет противопоказаний для лучевой диагностики, является углерод-углеродный композит. Цель: изучить в эксперименте прочностные характеристики межтеловых кейджей различных конструкций из углерод-углеродного композитного материала. Материалы и методы. Проведено экспериментальное исследование прочностных свойств межпозвонковых имплантатов для замещения удаленных позвонков. Все имплантаты были изготовлены из углерод-углеродного композитного материала. Было исследовано четыре типа фиксаторов позвонков по три образца: резьбовое соединение винта со стаканом, штифт с опорой на шайбы, штифт с опорой на шплинт, штифт с закреплением костным цементом. Результаты. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что конструкции с резьбовым соединением выдерживают нагрузки 956,7 ± 165,0 Н. Основной поломкой являются срезание резьбы и проседание винта. Образцы с 1 шайбой расширения выдерживают наибольшую нагрузку разрушения -- 5000,0 ± 150,0 Н, с 2 шайбами расширения образцы были разрушены нагрузкой 4250,0 ± 88,9 Н, с 3 шайбами -- при нагрузке 3083,3 ± 160,7 Н, то есть каждая дополнительная шайба расширения в конструкции статистически значимо уменьшает величину разрушающей нагрузки. Образцы со шплинтом выдерживают разрушительную сжимающую нагрузку в среднем 2833,3 ± 208,2 Н, которая приводила к разрушению стакана шплинтом, что вызвало проседание штифта. Испытания образцов без шплинта показали, что они способны выдержать статистически значимо большую разрушающую нагрузку в 5100,0 ± 100,0 Н. Больше всего сжимающие нагрузки выдерживают цельные конструкции, не имеющие мелких конструктивных элементов -- резьбы или шплинта. Испытания образцов с цементом показали, что при раздвижении на 5 и 7 мм не произошли никакие разрушительные изменения при максимально возможной для экспериментальной установки нагрузке в 6000 Н. Выводы. Худшими оказались конструкции с резьбовым соединением, конструкции из шплинтов выдерживали втрое большую нагрузку до разрушения. И хотя резьбовые конструкции считаются довольно прочными, особенности материала (углерод), не соответствуют требованиям, которые предъявляют резьбовым соединениям. Углеродные материалы довольно хрупкие, поэтому и конструкции из шплинта также оказались несовершенными. Конструкции с шайбами расширения показали себя довольно неплохо, но увеличение высоты расширения имплантата приводило к уменьшению прочности конструкции, и как следствие, к уменьшению способности выдерживать нагрузки.

Цельные конструкции оказались самыми выносливыми, а дополнительная прочность за счет цемента превратила их в монолитные сверхпрочные изделия.

Вступ

хребет імплантат титановий кейдж

При хірургії хребта для виконання міжтілового спондилодезу використовують переважно титанові імплантати, які бувають цільними або складаються з декількох сегментів. Інтерес становлять титанові кейджі, які дають можливість провести дистракцію оперованих сегментів та відновити опірність хребта.

Найпроблемніший контингент пацієнтів -- хворі з новоутвореннями хребта, у яких після хірургічного лікування необхідно проводили контроль ділянки втручання.

Для онкоконтролю використовуються не тільки лабораторні методи обстеження, але й комп'ютерна томографія (КТ), магнітно-резонансна томографія (МРТ). На КТ у післяопераційному періоді з використанням металоконструкції визначається ефект збільшення жорсткості випромінювання або розмите зображення, а на МРТ -- артефакт магнітної сприйнятності [1]. Ці зображення не дозволяють визначити стан місця (ділянки) оперативного втручання (можливий рецидив пухлини). Але якщо транспедикулярна конструкція фіксує хребці, розташовані вище та нижче за зони ураження, то міжтіловий імплантат установлюється на місце ураженого хребця, і при дослідженні визначити, що навкруги імплантату та в хребцевому каналі, дуже складно, а іноді і неможливо. Отже, імплантати, окрім характеристик міцності та біосумісності, повинні відповідати вищезазначеним вимогам при дослідженні МРТ та КТ [2]. Одним із перспективних матеріалів, що відповідає вимогам біосумісності, міцнісним властивостям та не має протипоказань для променевої діагностики, є вуглець-вуглецевий композит [3--7].

Тому розробка нового телескопічного кейджа, котрий відповідає даним вимогам, є дуже актуальною.

Мета: вивчити в експерименті міцнісні характеристики міжтілових кейджів різних конструкцій із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу.

Матеріали та методи

Різьбове з'єднання гвинта зі стаканом (рис. 1а) -- 3 зразки.

Штифт з опорою на шайби (1, 2 чи 3 шайби) (рис. 1б) -- по 3 зразки.

Штифт з опорою на шплінт (рис. 1в) -- 3 зразки.

Штифт із закріпленням кістковим цементом (рис. 1г) -- 3 зразки.

Усі імплантати випробували під впливом стискаючого навантаження. Випробування проводили на стенді для біомеханічних досліджень. Стенд під час проведення випробувань препаратів та розрахункова схема експерименту наведені на рис. 2.

Під час експерименту визначали межу міцності імплантатів. Для цього стискаюче навантаження плавно підвищували до моменту руйнування імплантату. Величину навантаження в момент руйнування імплантату вимірювали за допомогою тензометричного датчика SBA-100L, контроль навантаження здійснювали пристроїм реєстрації CAS типу CI-2001A (рис. 3).

Для обробки отриманих експериментальних даних проводили статистичний аналіз. Розраховували середні (М) значення та його стандартне відхилення (SD). Порівняння параметрів між ступенями руйнування проводили для 2 вибірок за допомогою Т-тесту для незалежних вибірок, для більшої кількості вибірок -- однофакторного дисперсійного аналізу (ANOVA) з апостеріорним тестом Дункана. Аналіз виконували в програмі IBM Statistic SPSS 20.0 [8].

Результати та обговорення

Таблиця 2. Результати випробування на стискання зразків із шайбами розширювання

Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що конструкції з різьбовим з'єднанням витримують навантаження 956,7 ± 165,0 Н. Основною поломкою є зрізання різьби та просідання гвинта. У подальшому від такої конструкції вирішено відмовитися.

Наступна конструкція -- гладкий стакан та штифт, величину розширення імплантату регулюють за допомогою шайб, розташованих між краєм стакана й головкою штифта. Дані про величини максимально допустимих навантажень наведені в табл. 2.

Результати аналізу показали, що зразки з 1 шайбою розширення витримують найбільше навантаження до руйнування -- 5000,0 ± 150,0 Н. Конструкції з 2 шайбами розширення були зруйновані навантаженням 4250,0 ± 88,9 Н, а з 3 шайбами -- при навантаженні 3083,3 ± 160,7 Н. За даними дисперсійного аналізу, кожна додаткова шайба розширення в конструкції статистично значущо (F = 149,303;p < 0,001) зменшує величину руйнівного навантаження. У даній конструкції при навантаженні частіше руйнувалися шайби, у двох зразках була зруйнована головка гвинта.

Наступна конструкція, де як елемент фіксації довжини імплантату виступає металевий шплінт, що проходить через стакан й необхідний отвір штифта. А також ця ж конструкція мінімальної довжини без шплінта. Дані про величини максимально допустимих стискаючих навантажень для даної конструкції імплантату наведені в табл. 3.

Аналіз результатів експериментальних досліджень виявив, що зразки зі шплінтом витримують руйнівне стискаюче навантаження величиною в середньому 2833,3 ± 208,2 Н, що призводило до розтрощування стакана майже навпіл саме шплінтом, що викликало просідання штифта. Це можна пояснити тим, що все навантаження припадає саме на металевий шплінт, який має дуже малу площу перетину, що призводить до виникнення великих напружень навколо нього, які зростають пропорційно співвідношенню площі опорної поверхні імплантату і перетину шплінта. Початок руйнування конструкції припадає на навантаження величиною 1076,7 ± 232,5 Н. Випробування зразків без шплінта показали, що вони здатні витримати статистично значущо (t = --17,000; p < 0,001) більше руйнівне навантаження в 5100,0 ± 100,0 Н, що близько до конструкції з 1 шайбою розширення.

Проведений апостеріорний тест Дункана однофакторного дисперсійного аналізу показав різниці між зразками імплантатів різних конструкцій.

Результати проведеного аналізу наведені в табл. 4.

Таблиця 4. Результати порівняльного аналізу величини руйнівного навантаження за апостеріорним тестом Дункана

Висновки

Список літератури

1. Stradiotti P., Curti А., Castellazzi G., Zerbi A. Metal- related artifacts in instrumented spine. Technigues for reducing artifacts in CT and MR: State of the art. Eur Spine J. 2009. 18. Supple 1. Р. 102-8.

2. Корж М.О., Куценко В.О., Тимченко І.Б. та ін. Використання комп'ютерних технологій при розробці імплантату хребців для заднього спондилодезу у грудному відділі хребта. Травма. 2019. Т. 20. № 3. С. 23-31.

3. Климовицький В.Г., Хадрі Вадід, Гончарова Л.Д., Гурін І.В. та ін. Обґрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2010. 11(1).

4. Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Математичне моделювання механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки. Зб. наукових праць XV з'їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16--18 вересня 2010. С. 45.

5. Ашукіна Н.О., Іванов Г.В., Карпінський М.Ю. та ін. Вивчення реакції шкіри та кісткової тканини на введення вуглецевого імплантату. Зб. наукових праць XV з'їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16--18 вересня 2010. С. 97.

6. Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Дослідження механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки на математичній моделі. Ортопедия, травматология и протезирование. 2011. № 1. С. 35-39. DOI: 10.15674/003059872011135-39.

7. Тяжелов О.А., Карпинский М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Новий спосіб лікування метафізарних і метадіафізарних переломів довгих кісток. Науково-практична конф. «Сучасні дослідження в ортопедії та травматології (перші наукові читання, присвячені пам'яті академіка О.О. Коржа)», 6--7 жовтня 2011 р.: Тези доповідей. Харків, 2011. С. 197-199.

8. Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2011. 400с.