Державна установа “Інститут патології хребта та суглобів
імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”
КОМАРОВ Михайло Петрович
УДК 616.71 – 001.5-089.843: 0546.26:612.76
ЗАМІЩЕННЯ ДЕФЕКТІВ ДОВГИХ КІСТОК ШТУЧНИМИ ІМПЛАНТАТАМИ НА ОСНОВІ ВУГЛЕЦЮ
(експериментальне дослідження з клінічною апробацією)
14.01.21 – травматологія та ортопедія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата медичних наук
Харків – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Державній установі “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”.
Науковий керівник: доктор медичних наук
ТЯЖЕЛОВ Олексій Алімович
Державна установа “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”, завідуючий лабораторією біомеханіки
Офіційні опоненти:
доктор медичних наук, професор ШЕВЧЕНКО Станіслав Дмитрович
Державна установа “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”, головний науковий співробітник відділу патології хребта та суглобів дитячого віку
доктор медичних наук, професор ЛОБАНОВ Григорій Вікторович
Донецький національний медичний університет ім. М.Горького МОЗ України, професор кафедри травматології, ортопедії та ВПХ
Захист відбудеться „ 27” червня 2008 р. об 11.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.607.01 Державної установи “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” (61024 м. Харків, вул. Пушкінська, 80).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державної установи “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” (61024 м. Харків, вул. Пушкінська, 80)
Автореферат розісланий “ 27 ” травня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, заслужений діяч науки
і техніки України,
доктор медичних наук, професор
В.О.Радченко
Актуальність роботи. Певну проблему сьогодення становить лікування патологічних переломів довгих кісток та заміщення кісткових післярезекційних дефектів у хворих з пухлинними ураженнями скелета. Патологічні переломи кісток кінцівок – часте ускладнення онкологічних захворювань, яке позбавляє пацієнтів можливості вести звичайний спосіб життя, різко порушує його якість. Хоча злоякісні пухлини кісток зустрічаються відносно рідко – 4-6% від усіх онкологічних захворювань людини, за останніми статистичними даними, спостерігається тенденція не тільки до росту відсотка цієї патології, а й до росту відсотка малігнізації первинних доброякісних пухлин (Зацепин С.Т., 2001; Щуровський О.М., 2005). У зв’язку з цим на порядку денному сучасної онкологічної ортопедії гостро стоїть питання про надійне з’єднання кісткових відламків при патологічних переломах кісток кінцівок та заміщення кісткових дефектів після сегментарних резекцій.
Хірургічне видалення патологічного осередку при первинному пухлинному ураженні довгих кісток є одним з головних, а часто єдиним способом збереження життя хворого. Останнім часом для лікування переломів довгих кісток та заміщення післярезекційних дефектів кісток використовують імплантати з металів, полімерів, вуглецю та кальційфосфатних керамік, які мають високу спорідненість з кістковою тканиною, остеокондуктивні та остеоінтеграційні властивості (Берченко Г.Н. із співавт., 1999; Муромцев С.Г. із співавт., 2001; Радченко В.А. із співавт., 2006; Blazewicz M., 2001; Bader R, et al. 2003).
Кісткові дефекти, що лишаються після видалення пухлини, не тільки потребують адекватного заміщення. Імплантати повинні виконувати інші функції. По-перше, це надійне з’єднання кісткових фрагментів, причому надійність цього з’єднання повинна мати значний запас міцності і не може бути втрачена з часом, оскільки імплантати залишаються в організмі людини до кінця життя.
По-друге, це якомога швидше відновлення опороздатності кінцівки, тому що знесиленим хворим після великих травматичних операцій та променевої терапії відновлена опороздатність кінцівки значно покращує якість життя.
По-третє, це питання про біологічну сумісність імплантату. Якщо мова йде про заміщення кісткових дефектів, імплантат повинен знаходитись у тканинах організму людини тривалий час, тому питання про біологічну сумісність та біологічну інертність матеріалу, з якого виготовлено імплантат, стають дуже важливими.
Вуглецеві композитні матеріали давно і ефективно використовуються у медичній практиці, зокрема в ортопедії та травматології. Їх використовують для остеосинтезу при переломах довгих кісток, для пластичного відновлення зв’язок, виготовлення ендопротезів, заміщення невеликих кісткових дефектів тощо (Тяжелов А.А. із співав., 2004; Baker D.et al., 2004; Howling G.I. et al., 2004). Виконано багато досліджень з вивчення можливості ефективнішого використання вуглецевого композиційного матеріалу. Такі дослідження проводилися на культурі остеобластів (Elias K.L. et al., 2002; McKenzie J.L. et al., 2004), також в експерименті на тваринах (Kumar N. et al., 2002; Qiu Y.S. et al., 2002) та у клініці (Зарацян А.К. 1990; Agrillo U., et al., 2002; Stutz N. et al., 2002).
Ці та багато інших досліджень довели, що композиційні матеріали на основі вуглецю є матеріалами біологічно інертними, викликають мінімальну запальну реакцію в оточуючих тканинах і можуть бути використані в якості заглибних імплантатів з тривалим терміном дії.
Складність оперативного лікування патологічних переломів довгих кісток та заміщення великих кісткових дефектів полягає у тому, що сучасними стандартними засобами остеосинтезу не вдається забезпечити головні необхідні вимоги. А саме: стабільність фіксації фрагментів кісток на тривалий строк; можливість раннього функціонального навантаження кінцівки, що дуже важливо для знесилених онкологічних хворих; швидкого відновлення м’язової активності до рівня, що передував операції.
Тому при лікуванні хворих з післярезекційними сегментарними дефектами довгих кісток або з патологічними переломами внаслідок метастазування виникає проблемна ситуація, яку можна сформулювати наступним чином: «заміщення великих дефектів довгих кісток кінцівок після видалення пухлин або при лікуванні патологічних переломів зараз виконується тільки із застосуванням металевих або металокерамічних (металополімерних) імплантатів, які на порядок відрізняються від кісткової тканини за механічними властивостями, строками виготовлення та вартістю кінцевої продукції».
Суттєве покращання результатів лікування хворих з дефектами кісток після видалення пухлин або при лікуванні патологічних переломів можливо шляхом: - розробки нових видів імплантатів для заміщення сегментарних дефектів у вигляді пристроїв для з’єднання кісткових відламків; - вивчення можливостей з’єднання імплантатів з кісткою, дослідження оптимальних видів з’єднання, при необхідності шляхом розробки нових; - розробки технології використання імплантатів нового покоління з заданими параметрами міцності.
Саме на вирішення цих питань спрямовано дане дослідження.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з планом науково-дослідних робіт Державної установи „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” („Розробити нові високотехнологічні способи остеосинтезу та заміщення кісткових дефектів у літніх людей імплантатами на основі корунду та вуглецю”, шифр теми ЦФ.2004.4, держреєстрація №0104U002090. Автор виконав аналіз методик заміщення діафізарних кісткових дефектів; проаналізував різні моделі з’єднання кісткових фрагментів шляхом математичного моделювання (з використанням методу кінцевих елементів); дослідив електрохімічні властивості імплантатів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу, що працюють у гальванопарі з металевими фіксаторами із захисним покриттям; розробив методики та імплантати для заміщення діафізарних дефектів довгої кістки; прийняв участь у гістоморфологічних дослідженнях органів та тканин експериментальних тварин в умовах імплантації вуглецевого матеріалу в різні строки; а також згідно договору про наукову співпрацю з Науково-дослідним інститутом травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету ім. М.Горького МОЗ України, який передбачав спільне виконання науково-дослідної роботи “Розробка нових медичних технологій комплексного лікування злоякісних пухлин при ураженнях діафізів довгих кісток”, шифр теми МК 06.04.08, держреєстрація №0105U008707, автор приймав участь у підборі пацієнтів для клінічної апробації розробленої методики заміщення дефектів довгих кісток).
Мета дослідження – покращити можливості лікування хворих з післярезекційними дефектами та патологічними переломами довгих кісток шляхом розробки та експериментального обґрунтування методик заміщення кісткових дефектів штучними імплантатами з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу (ВВКМ).
Завдання дослідження:
1. На основі літературних даних розробити вимоги до моделі з’єднання фрагментів довгої кістки при заміщенні кісткових дефектів та патологічних переломів довгих кісток кінцівок.
2. Вивчити в експерименті вплив вуглецевого матеріалу на кісткову тканину, м’які тканини, що його оточують, та віддалені органи і тканини організму.
3. Розробити зразки імплантатів з ВВКМ для заміщення сегментарних дефектів довгої кістки.
4. Розробити методики заміщення сегментарних дефектів довгої кістки після резекції злоякісних пухлин.
5. На підставі математичного моделювання методом кінцевих елементів провести дослідження якості механічного з’єднання кісткових фрагментів при сегментарних дефектах довгих кісток імплантатами з ВВКМ.
6. Провести клінічну апробацію розроблених методик заміщення кісткових дефектів штучними імплантатами з ВВКМ при сегментарних резекціях довгих кісток.
Об’єкт дослідження: вуглецевий імплантаційний матеріал – як замісник кісткової тканини.
Предмет дослідження:способи з’єднання фрагментів кістки імплантами з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу при сегментарних дефектах; якість з’єднання відламків – характеристики пружно-деформованого стану окремих елементів та зон контакту в системі фіксатор-кістка; електрохімічні властивості вуглецевого композиційного матеріалу та металевих конструкцій для остеосинтезу з захисним покриттям, що утворюють гальванопари; особливості гістологічної картини кісткової тканини та тканин внутрішніх органів при імплантації вуглецевого композиційного матеріалу в експерименті.
Матеріал та методи дослідження. В роботі використані методи: концептуального моделювання з’єднання фрагментів довгих кісток у хворих з сегментарними дефектами; математичного моделювання методом кінцевих елементів способів з’єднання кісткових відламків з використанням різноманітних пристроїв та методик; морфологічного дослідження «реакції» кісткової тканини та віддалених тканин організму на вуглецевий імплантаційний матеріал в експерименті на тваринах; вивчення електрохімічної взаємодії вуглецевого композиційного матеріалу, з якого виготовляли імплантати, і деяких стандартних металевих фіксаторів шляхом визначення електрохімічного потенціалу кожного імплантату та їхньої взаємодії в розчині електроліту, а також ВВКМ та металевих імплантатів із захисним покриттям; клінічного дослідження, що включає клінічне, лабораторне та рентгенологічне передопераційне обстеження хворих з пухлинними ураженнями довгих кісток та післяопераційне динамічне спостереження на етапах лікування.
Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено модель заміщення сегментарних дефектів довгих кісток у хворих з пухлинними ураженнями скелета. Оригінальна технологія з’єднання кісткових фрагментів, розроблена в рамках даної моделі, теоретично дозволяє забезпечити індивідуальне ендопротезування сегмента довгої кістки із заданими параметрами жорсткості з’єднання кісткових відламків. Конструкція для заміщення сегментарних дефектів являє собою комбінований вуглецевий композиційний імплантат у вигляді внутрішньокісткового стержня того ж діаметра, що і діаметр кістковомозкового каналу, і кортикального «спейсера» - порожнистої трубки з товщиною стінки 4-8 мм, яка має діаметр внутрішнього отвору, що дорівнює діаметру стержня.
В експерименті на тваринах доведено відсутність шкідливого впливу вуглецевого композиційного імплантаційного матеріалу на кісткову тканину в зоні імплантації та на внутрішні органи, чим підтверджено біологічну інертність матеріалу.
Експериментально, електрохімічним методом, доведено “біологічну інертність” вуглецевого матеріалу, його можливість використання у комбінації з титановими імплантатами та іншими металевими імплантатами із захисним покриттям у клінічних умовах. Доведено, що в парі з титановими імплантатами, а також імплантатами із захисним покриттям вуглецевий композиційний матеріал не утворює у фізіологічній рідині активних гальванопар, здатних призвести до металозу, пізніх інфекційних ускладнень тощо.
Вперше шляхом математичного моделювання методом кінцевих елементів розраховано оптимальні параметри з’єднання імплантату з кісткою. Обґрунтовано форму імплантатів та особливості з’єднання імплантатів з кісткою.
Розроблено нові способи з’єднання кісткових фрагментів та заміщення післярезекційних дефектів довгої кістки, що дозволяють забезпечити надійну первинну стабільність сегмента та зберегти її на максимально довгий період.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблені нові імплантати і методика з’єднання кісткових фрагментів забезпечують достатню стабільність сегмента, що при клінічному застосуванні імплантатів з ВВКМ забезпечує скорочення загальних строків лікування й соціальної реабілітації хворих за рахунок безіммобілізаційного ведення хворих, ранніх рухів у суміжних суглобах. При використанні розроблених методик остеосинтезу і заміщення кісткових дефектів імплантати не потребують заміни.
Для заміщення сегментарних дефектів довгих кісток запропоновано оригінальні комбіновані імплантати з вуглецевого композиційного матеріалу у вигляді внутрішньокісткового стержня, який фіксують у кістковомозковому каналі, і кортикального «спейсера» у вигляді порожнистої трубки, через яку проходить стержень, й обґрунтовано доцільність його клінічного застосування.
Розроблено та виготовлено зразки імплантатів для заміщення кісткових дефектів, відпрацьовано методики їх використання при діафізарних і метадіафізарних сегментарних дефектах довгих кісток, проведено клінічну апробацію запропонованих пристроїв та методик, запатентовано два запропонованих способи заміщення кісткових дефектів.
Виробником отримано дозвіл на використання імплантатів з ВВКМ в клінічній практиці, тобто імплантати з ВВКМ ліцензовані і можуть використовуватися у клінічній практиці в Україні. Результати дисертаційного дослідження у вигляді методик заміщення сегментарних кісткових дефектів впроваджено в клінічну практику Державної установи “ Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України”, відділенні кісткової онкології Науково-дослідного інституту травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету ім.М. Горького МОЗ України та у клініці ушкоджень Військово-медичного клінічного центру північного регіону Департаменту здоров’я Міністерства оборони України.
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно проведено інформаційно-аналітичне дослідження, сформульовано вимоги до моделі остеосинтезу довгих кісток у хворих з патологічними переломами діафізів довгих кісток та до моделі заміщення сегментарних дефектів довгих кісток. Автор брав участь у розробці дизайну імплантатів і методик заміщення кісткових дефектів, методик остеосинтезу патологічних переломів і оформленні патентної документації.
У сумісних публікаціях автору належить участь у постановці завдань дослідження, технічна участь, аналіз отриманих результатів.
Автор брав участь в обговоренні мети й постановці завдань дослідження та аналізі отриманих даних в розділі, який присвячений вивченню електрохімічних властивостей вуглецевого композиційного матеріалу. Дослідження виконані в НТУ ХПІ за допомогою старшого наукового співробітник О.К.Сєвідової. Автор брав участь в постановці завдань дослідження, технічних розробках й аналізі результатів у розділі роботи, який присвячений математичному моделюванню особливостей з’єднання фрагментів кістки при кістковому дефекті. Дослідження виконані в лабораторії біомеханіки ДУ „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка Академії медичних наук України” за допомогою І.А. Субботи, М.Ю. Карпінського, Н.Ю. Полєтаєвої. Автор брав участь у постановці завдань, імплантації вуглецевого матеріалу і в аналізі отриманих даних у дослідженнях, що присвячені вивченню біосумісності вуглецевого матеріалу в експерименті на тваринах. Дослідження виконані на базі лабораторії морфології сполучної тканини ДУ „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” за допомогою к.біол.н. Н.А.Ашукіної та на базі лабораторії експериментального моделювання ДУ „Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка Академії медичних наук України” за допомогою Г.В. Іванова. Відбір хворих для оперативного лікування за розробленою методикою з’єднання кісткових фрагментів при дефектах кістки та патологічних переломах здійснювався при безпосередній участі автора.
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи обговорено на наукових форумах різного рангу: на Міжнародній науково-практичній українсько-польській конференції (Красічин, 2005); науково-практичній конференції “Морфогенез і патологія кісткової системи в умовах промислового регіону Донбасу” (Луганськ, 2006); науково-практичній конференції «Новое в ортопедии и травматологии» (Донецьк-Сопіне, 2006), ХІV з’їзді ортопедів-травматологів України (Одеса, 2006); науково-практичному семінарі з використання вуглецевих матеріалів у медицині (Китай, 2006).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових праць, з них 3 статті у провідних наукових фахових виданнях, 2 деклараційні патенти України на корисні моделі, 2 роботи у матеріалах конференцій та з’їздів.
Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота містить 148 сторінок друкованого тексту, 48 рисунків, 8 таблиць, складається зі вступу, 8 розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Список використаних джерел містить 132 джерела, з яких 89 – іноземних авторів.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
На першому етапі роботи проведено аналіз патентної та наукової інформації, який виявив низку невирішених питань щодо особливостей заміщення сегментарних дефектів довгої кістки. Це питання клітинної та тканинної реакції біологічного об’єкта на вуглець-вуглецевий матеріал, електрохімічні особливості утворення гальванопари метал-вуглецевий матеріал, можливості клінічного використання вуглецевих імплантатів. Відсутня концепція надійного з’єднання довгих кісток з використанням імплантатів із вуглецевого матеріалу, відсутня теоретично та експериментально обґрунтована технологія заміщення сегментарних дефектів довгих кісток з використанням вуглецевих імплантатів, не розроблені пристрої з вуглецевого матеріалу, що забезпечують надійну тривалу фіксацію кісткових відламків.
Ці невизначені питання знайшли своє вирішення у подальших етапах дослідження. Так, в експерименті на тваринах одержано нові дані про реакцію кістки та м’яких тканин, що оточують імплантат з ВВКМ, особливості його використання в якості матеріалу для заміщення кісткових дефектів.
Експериментальні дослідження виконані на білих лабораторних щурах популяції Вістар (ДУ “ІПХС АМНУ”) віком від 3 до 12 міс. та живою вагою 380-400 г на початок експерименту. Загальна кількість експериментальних тварин – 63. Вивчали морфологічні зміни у кістковій тканині при імплантації вуглецевого матеріалу у губчасту кістку (9 тварин віком 3 місяці).
Операції на тваринах виконували під загальним тіопенталовим наркозом. Після обробки операційної зони спиртовим розчином йоду робили розтин шкіри й здійснювали доступ до дистального метафіза стегнової кістки (латерально). За допомогою стоматологічного бора (діаметр 2 мм) моделювали кістковий дефект, в якому розташовували вуглецевий стержень. Рану обробляли антибіотиками й пошарово ушивали. Щурів виводили з експерименту через 40, 70 та 115 діб після хірургічного втручання шляхом передозування тіопенталу натрію. Для гістологічних досліджень видаляли фрагменти стегнових кісток з ділянками імплантації.
Морфологічну оцінку біосумісності вуглецевого матеріалу та його накопичення у віддалених органах та тканинах проводили при підшкірній імплантації 10 лабораторним щурам (3-6-місячного віку) вуглецевого матеріалу у вигляді циліндрів (діаметр 8 мм, висота 4 мм). Контролем служили інтактні тварини. Для гістологічного дослідження вилучали легені, тимус, нирки та печінку, фрагменти шкіри з зоною імплантації.
Відпрацювання методики з’єднання кісткових відламків в експерименті на тваринах та дослідження накопичення вуглецевого матеріалу у віддалених органах та тканинах при комбінованому внутрішньокістково-накістковому розташуванні імплантатів було виконано на 44 білих щурах лінії Вістар 12-місячного віку. Щурів виводили з експерименту через 12 місяців після операції, препарували та у зразках печінки, легенів, селезінки та мозку після спеціальної обробки для гістологічного дослідження візуально визначали наявність або відсутність фрагментів вуглецю.
Експерименти на тваринах проводили відповідно до правил Європейської конвенції захисту хребетних тварин, що використовуються в експериментальних й інших наукових цілях.
Результатами морфологічних досліджень доведено біологічну інертність ВВКМ, відсутність токсичної дії на навколишні та віддалені тканини. Доведено, що ВВКМ не накопичується у внутрішніх органах і не перешкоджає перебігу звичайних біологічних процесів, не викликає запальних процесів ані у кістці, ані у м’яких тканинах, ані у судинах навколо місця імплантації.
Дослідження електрохімічної взаємодії вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу з металевими фіксаторами оцінювали за ефективністю гальванопар, що утворюються при контакті різнорідних матеріалів у рідкому середовищі. В якості основного критерію інтенсивності утворюваних гальванопар було прийнято значення контактного струму. У якості матеріалу для виготовлення імплантатів для остеосинтезу досліджували: вуглецевий матеріал, нержавіючу сталь 12Х18Н10Т, титановий сплав ВТ6 і нікелід титану TiNi як у стаціонарних умовах, так і при депасивації (знятті поверхневого шару з імплантату шляхом тертя), а також при нанесенні на імплантати різних захисних покриттів, що ізолюють матеріал, з якого виготовлено імплантат. Для цього наносили на імплантати ізолююче покриття у вигляді: нітридів алюмінію й титану (відповідно AlN та TiN), оксидів алюмінію та титану (Al2O3 та TiO2) й алмазоподібні вуглецеві плівки (АВП) (рис.1).
Вимірювання електрорухової сили (ЕРС) і струмів різних варіантів контактних гальванопар, утворених за участю ВВКМ й металевих матеріалів з покриттям (табл. 1), підтверджує їх інертність як у стаціонарному стані, так і при механічній депасивації поверхні. Порівняно з аналогічними контактами ВВКМ з вихідними матеріалами інтенсивність функціонування гальванопар конструкцій з покриттями зменшується та практично падає до нуля.
Таблиця 1
Електрохімічні характеристики контактних гальванопар
| Матеріал | Стаціонарні умови |
Депасивація анода |
|||
| Катода1)
|
анода1)
|
I, мкА | ЕРС, В | I, мкА | ЕРС, В |
| 12X18H10T | 12X18H10T+ Al2
O3 |
0 | -0,07 | 0 | 0,06 |
| ВТ6 | ВТ6+AlN | 0 | -0,05 | 0 | 0,04 |
| 12X18H10T+AlN | 12X18H10T+AlN | - | - | 0 | 0,02 |
| ВТ6 | ВТ6+TiN | 1 | -0.03 | 6®3 | 0,27 |
| ВТ6+TiО2
(АВП) |
ВТ6+TiО2
(АВП) |
- | - | 1 | 0,02 |
| ВТ6+TiО2
(АВП) |
ВВКМ | 0 | 0,13 | 0 | 0,13 |
| ВВКМ | ВТ6 | 2 | 0,17 | 30 | 0,62 |
| ВВКМ | ВТ6+TiN | 1 | -0,04 | 3 | 0,27 |
| ВВКМ | ВТ6+АУП | 1 | -0,042 | 1 | -0,03 |
1)
при позитивних значеннях ЕРС. |
|||||
Таким чином, встановлено, що покриття на основі Al2O3, TiO2, AlN та АВП ефективно знижують електрохімічну активність металевих матеріалів при терті поверхні (механічній депасивації), в результаті чого контактні струми гальванопар зменшуються в 10-20 разів.
Отже, доведено принципову можливість сумісного використання вуглецевих імплантатів з металевими виробами для остеосинтезу, зокрема із захисним ізолювальним покриттям. Вивчено вплив різних видів функціонально-захисних покриттів на електрохімічну активність металевих імплантатів, що контактують з вуглець-вуглецевими композиційними матеріалами.
Найефективнішими та стійкими виявилися захисні алмазоподібні покриття. Таким чином, доведено принципову можливість сумісного використання імплантатів з ВВКМ та металевих імплантатів, зокрема із захисним покриттям.
Проведені дослідження дали підставу для обґрунтування довготривалого перебування вуглецевого матеріалу в організмі людини, і саме цей матеріал обрано в якості імплантаційного. Розроблено оригінальну конструкцію імплантату (рис.2) та оригінальну модель заміщення сегментарних дефектів довгої кістки (рис.3) з різними варіантами з’єднання кісткових відламків (рис.4).
Можливості розробленої моделі заміщення сегментарного дефекту довгої кістки перевірено математичними розрахунками. Використано математичне моделювання методом кінцевих елементів на об’ємній моделі стегнової кістки. Модель побудовано у вигляді тривимірного об’єкта з максимальним відтворенням анатомічних особливостей стегнової кістки. Виконані дослідження напружено-деформованого стану (НДС) розробленої моделі заміщення сегментарного дефекту кістки при різних методах з’єднання кісткових відламків.
Дослідження передбачали вивчення НДС при з’єднанні кісткових фрагментів імплантатом, що мав:
– циліндричну форму проксимального і дистального кінців внутрішньокісткового стержня;
– конусну форму обох кінців (з конусністю 5 і 10°);
– верхній циліндричний та нижній конічний кінець внутрішньокісткового стержня;
Проведені дослідження довели, що використання імплантату з різними формами кінців внутрішньокісткового стержня (верхнім циліндричним та нижнім конічним кінцями) зменшує напруження у найважливіших для довготривалої роботи імплантату зонах моделі, а саме: у зоні контакту спейсера з кортикальною частиною кістки та у зоні контакту кортикальної кістки з металевим гвинтом. Результати моделювання показали, що напруження в цілому вище у нижній частині імплантату, ніж у верхній. Ця тенденція зберігається у всіх без винятку моделей, що аналізувалися. Різниця стосується тільки величини напружень, але принципова картина розподілу напружень майже не міняється. Це дало нам підставу вважати доцільним «розвантаження» зони контакту нижньої частини імплантату з кісткою. Для розвантаження зон контакту кістки та імплантату доцільно використати накісткові вуглецеві або металеві пластини із захисним покриттям, що на порядок підвищить жорсткість фіксації і дозволить раннє навантаження кінцівки практично без обмежень.
Розроблені способи з’єднання кісткових відламків та заміщення післярезекційних дефектів пройшли клінічну апробацію в Державній установі “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України” та Інституті травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету ім. М.Горького МОЗ України. Результати клінічної апробації свідчать про те, що при використанні запропонованих методик оперативного лікування хворих з патологічними діафізарними переломами стегнової кістки клінічні ознаки зрощення (можливість одноопорного стояння) відзначаються вже до 3-х місяців з моменту операції. Швидко відновлюються рухи в кульшовому і колінному суглобах оперованої кінцівки, активізація хворих можлива вже з другого-третього дня після операції. З цього моменту можлива ходьба на милицях з дозованою опорою на оперовану кінцівку, що, безумовно, є хорошим показником при переломах стегнової кістки у хворих старшої вікової групи та знесилених онкологічних хворих.
Використання вуглецевих імплантатів у якості замінника кісткової тканини успішно витримало клінічну апробацію у хворих з пухлинними ураженнями плечової та стегнової кісток. ВВКМ добре показав себе при різних варіантах використання: при сумісному використанні ВВКМ з металевими фіксаторами за оригінальними методиками заміщення сегментарних дефектів кістки; при сумісному використанні з кістковим цементом.
Результати клінічної апробації довели принципову можливість використання вуглецевого композиційного матеріалу в якості замінника різних сегментів довгої кістки. Результати клінічної апробації показали перспективи різноманітного застосування вуглецевих імплантатів, від простого спейсера у вигляді порожнистої трубки та циліндричного стержня до модульного ендопротеза проксимального відділу плечової кістки, а у перспективі – навіть ендопротеза окремої кістки.
ВИСНОВКИ
1. На підставі інформаційного аналізу визначено основні вимоги для моделі з’єднання кісткових фрагментів при заміщенні сегментарних дефектів довгої кістки, вимоги до імплантатів, що забезпечать підвищення ефективності такого заміщення та розроблено модель заміщення сегментарних дефектів довгої кістки, де у якості імплантаційного матеріалу виступає вуглецевий композиційний матеріал.
2. В експерименті на тваринах (лабораторних щурах) доведено біологічну інертність досліджуваного вуглецевого матеріалу:
– введення вуглецевого імплантату в кістковий дефект не перешкоджає репаративному остеогенезу;
– міграція мікрофрагментів вуглецю у м’які тканини поруч з зоною імплантації не призводить до запальних реакцій навколо вуглецевих мікрочасток;
– відсутність мікрочасток вуглецю при коротких (до 3 місяців) та великих (до 12 місяців) строках експозиції та різних видах введення імплантату (у порожнину кістковомозкового каналу, у губчасту кістку та під шкіру) у віддалених від зони імплантації органах експериментальних тварин.
3. Вивчено вплив різних видів функціонально-захисних покриттів на електрохімічну активність металевих імплантатів, що контактують з вуглець-вуглецевими композиційними матеріалами. Встановлено, що покриття на основі Al2O3, TiO2, AlN та АВП ефективно знижують електрохімічну активність металевих матеріалів при терті поверхні (механічній депасивації), в результаті чого контактні струми гальванопар зменшуються в 10-20 разів. Найефективнішими та стійкими виявилися захисні алмазоподібні покриття.
4. Встановлено, що алмазоподібне покриття товщиною 2-3 мкм, яке нанесено вакуумно-плазмовим електрозвуковим методом, характеризується також високими трибологічними характеристиками – низьким коефіцієнтом тертя та високою зносостійкістю. Біоінертні діелектричні покриття Al2O3 та AlN, для яких характерна висока твердість, але низька опірність пружно-пластичній деформації, можуть бути рекомендовані для виробів для остеосинтезу та заміщення кісткових дефектів, що не підлягають знакоперемінним циклічним навантаженням.
5. Методом математичного моделювання встановлено, що використання імплантатів при моделюванні заміщення сегментарних дефектів довгої кістки призводить до підвищення напруження в кістковій тканини і до появи додаткових зон значного навантаження, на що суттєво впливає форма фіксуючих кінців моделі імплантату та особливості їх фіксації:
– напруження у верхній та нижній частинах імплантату дещо відрізняються, а форма внутрішньокісткового фіксуючого стержня впливає на величину напружень;
– використання імплантату з конусоподібною формою (конусність 5°) кінців дозволяє дещо зменшити і перерозподілити напруження в кістковій тканині та імплантаті;
– використання імплантату зі збільшеною конусністю (до 10°) кінців внутрішньокісткового стержня призводить до помітного збільшення напруження верхньої та нижньої частин імплантату по відношенню до імплантату з величиною конуса кінців внутрішньокісткового стержня у 5°;
– використання імплантату з більшою кількістю гвинтів майже не призводить до зменшення напруження на кінцях внутрішньокісткового стержня, оскільки основне навантаження сприймають верхній (для верхньої частини імплантату) та нижній (для нижньої частини імплантату) з гвинтів;
– використання імплантату з циліндричною формою у верхній частині імплантату та конічною формою у нижній частині дозволяє зменшити напруження у верхній частині імплантату, що, в свою чергу, дозволить збільшити міцність з’єднання кістки та імплантату лише за допомогою зміни форми останнього.
6. Розроблено оригінальні способи з’єднання фрагментів довгих кісток кінцівок при діафізарних патологічних переломах, у тому числі на фоні остеопорозу, які передбачають використання внутрішньокісткового стержня та накісткової пластини, скріплених титановими гвинтами із захисним покриттям. Запропоновані способи остеосинтезу забезпечують надійну, тривалу стабілізацію відламків, що не погіршується з часом і дозволяє навантажувати кінцівку відразу ж після операції.
7. Розроблено оригінальні способи заміщення сегментарних дефектів довгої кістки та пристрої для їх здійснення, які захищено деклараційними патентами України. Імплантати для заміщення дефектів являють собою внутрішньокістковий стержень з вуглецевого матеріалу та спейсер у вигляді порожнистої трубки, внутрішній діаметр якої відповідає діаметру стержня.
8. Проведена клінічна апробація розроблених способів остеосинтезу та заміщення кісткових дефектів довела:
– принципову можливість використання імплантатів з ВВКМ для остеосинтезу та заміщення великих кісткових дефектів;
– очевидну перевагу імплантатів з ВВКМ перед металевими при вираженому остеопорозі, яка простежується у більш надійній, тривалій фіксації кісткових фрагментів, якість якої не погіршується з часом;
– більш високу клінічну ефективність запропонованих способів остеосинтезу та заміщення кісткових дефектів у порівнянні з відомими за рахунок можливості дозованого навантаження кінцівки відразу ж після операції, що покращує якість життя оперованої людини;
– наявність великої перспективи подальшого використання імплантатів з ВВКМ у травматології та ортопедії.
9. Вуглецевий композиційний матеріал є перспективною сировиною для виготовлення імплантатів для заміщення практично будь-яких дефектів довгих кісток кінцівок. За своїми фізико-хімічними та механічними якостями, біологічною інертністю, надійністю та зручністю він є унікальним імплантаційним матеріалом, з якого можливо виготовлення пристроїв для остеосинтезу та ендопротезів довгих кісток будь-якої довжини, форми та розмірів.
Список робіт, опублікованих за темою дисертації
1. Тяжелов О.А. Оцінка біосумісності вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу в експерименті / Тяжелов О.А., Ашукіна Н.О., Іванов Г.В., Комаров М.П. // Ортопедия, травматология и протезирование. – 2006. – № 4. – С. 47- 50.
Особистий внесок здобувача полягає у постановці мети та аналізі отриманих результатів
2. Гребенюк Ю.А. Комбинированные способы пластики пострезекционных дефектов плечевой кости / Гребенюк Ю.А., Тяжелов А.А., Комаров М.П. // Травма 2006 – Том 7, №5. – С. 538-541.
Особистий внесок здобувача полягає у розробці методик заміщення кісткових дефектів.
3. Тяжелов О.А. Напружено-деформований стан моделі стегнової кістки при заміщенні сегментарного діафізарного дефекту вуглецевими імплантатами різної форми / Тяжелов О.А., Суббота І.А., Полєтаєва Н.Ю., Комаров М.П. // Здобутки клінічної і експериментальної медицини. – 2006. – №2. – С. 99-103.
Особистий внесок здобувача полягає у постановці завдання та мети дослідження, участі у побудові моделі, аналізі отриманих результатів.
4. Пат. 16399 UA А61B17/56 /u Спосіб заміщення сегментарного дефекту довгої кістки / Бабоша В.О., Гребенюк Ю.О., Гончарова Л.Д., Ілларіонов В.В., Ткаченко С.О., Сірота Є.Г., Тяжелов О.А., Комаров М.П., Тарасенко В.І., Гурін І.В. – № 200600067; Заявл. 03.01.2006; Опубл. 15.08.2006. Бюл. №8.
Особистий внесок здобувача полягає в розробці конструкції ендопротеза кістки.
5. Пат. 16400 UA А61B17/56, А61B17/68 /u. Спосіб заміщення суглобового кінця довгої кістки / Бабоша В.О., Гребенюк Ю.О., Гончарова Л.Д., Ілларіонов В.В., Ткаченко С.О., Сірота Є.Г., Тяжелов О.А., Комаров М.П., Тарасенко В.І., Гурін І.В. № 200600068; Заявл. 03.01.2006; Опубл. 15.08.2006. Бюл. №8. Особистий внесок здобувача полягає в пропозиції автора ідеї та дизайну конструкції ендопротезу суглобового кінця довгої кістки.
6. Комаров М.П. Возможности использования углеродного композитного материала для замещения диафизарных послерезекционных костных дефектов / Комаров М.П., Тяжелов А.А. // XIV з’їзд ортопедів-травматологів України: Тези доповідей, 21-23 вересня 2006 р., Одеса. – Одеса, 2006. – С. 268-270. Особистий внесок здобувача полягає в аналізі перспектив використання вуглецевого композиційного матеріалу у якості замінника кістки.
7. Тяжелов О.А. Покращання електрохімічної сумісності біоінженерних матеріалів за допомогою покриттів / Тяжелов О.А., Севідова О.К., Тимченко І.Б., Голухова А.Г., Комаров М.П. // Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности: Тезисы докладов международной научно-технической конференции, 26-27 апреля 2006 г., Харьков. – Харьков, 2006. – С.31-32. Особистий внесок здобувача полягає у постановці завдання та мети дослідження, аналізі отриманих результатів.
АНОТАЦІЯ
Комаров М.П. Заміщення дефектів довгих кісток штучними імплантатами на основі вуглецю. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за спеціальністю 14.01.21 – травматологія та ортопедія. Державна установа “Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка Академії медичних наук України”, Харків, 2008.
В основу дисертації покладено дослідження, спрямовані на розробку та експериментальне обґрунтування методик заміщення кісткових дефектів штучними імплантатами з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу (ВВКМ).
Експериментальними дослідженнями доведено: біологічну інертність ВВКМ, відсутність токсичної дії на навколишні та віддалені тканини; принципову можливість сумісного використання вуглецевих імплантатів з металевими виробами для остеосинтезу, зокрема із захисним ізолювальним покриттям; достатні механічні характеристики запропонованої моделі заміщення кісткового дефекту за основними показниками напружено-деформованого стану.
Розроблено оригінальну конструкцію імплантату, що являє собою внутрішньокістковий стержень з вуглецевого матеріалу та спейсер у вигляді порожнистої трубки, внутрішній діаметр якої відповідає діаметру стержня, та оригінальну модель заміщення сегментарних дефектів довгої кістки з різними варіантами з’єднання кісткових відламків, які захищено деклараційними патентами України.
Клінічна апробація розроблених способів та пристроїв довела принципову можливість та перспективність використання імплантатів з ВВКМ для заміщення практично будь-яких дефектів довгих кісток кінцівок.
Ключові слова: вуглець-вуглецевий композиційний матеріал, імплантати, внутрішньокістковий стержень, спейсер, остеосинтез.
АНОТАЦИЯ
Комаров М.П. Замещение дефектов длинных костей искусственными имплантатами на основе углерода. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук по специальности 14.01.21 – травматология и ортопедия. Государственное учреждение “Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И. Ситенка Академии медицинских наук Украины”, Харьков, 2008.
В основе диссертации лежит исследование, направленное на улучшение лечения больных с дефектами костей после удаления опухолей или для лечения патологических переломов путём разработки и экспериментального обоснования методик замещения костных дефектов искусственными имплантатами из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ).
В эксперименте на животных доказано отсутствие вредного влияния углеродного композиционного материала на костную ткань в зоне имплантации и на внутренние органы. Результатами морфологических исследований доказано биологическую инертность УУКМ, отсутствие токсического действия на окружающие и отдаленные ткани. Доказано, что УУКМ не накапливается во внутренних органах и не препятствует течению обычных биологических процессов, не вызывает воспалительных процессов ни в кости, ни в мягких тканях, ни в сосудах, вокруг места имплантации.
Исследования электрохимического взаимодействия углерод-углеродного композиционного материала с металлическими фиксаторами оценивали по эффективности гальванопар, которые возникают при контакте разнородных материалов в жидкой среде. В качестве основного критерия интенсивности создания гальванопар было принято значение контактного тока. Проведенные исследования доказали принципиальную возможность совместного использования углеродных имплантатов с металлическими изделиями для остеосинтеза, в частности с защитным изолирующим покрытием. Доказано, что в паре с титановыми имплантатами, а также имплантатами с защитным покрытием углеродный композиционный материал не создаёт в физиологическом растворе активных гальванопар, способных привести к металлозу, поздним инфекционным и другим осложнениям. Установлено, что наиболее эффективным и стойким выявилось алмазоподобное покрытие толщиной 2-3 мкм, нанесенное вакуумно-плазменным електрозвуковым методом.
Математическое моделирование методом конечных элементов на объёмной модели бедренной кости, построенной в виде трехмерного объекта с максимальным отображением особенностей бедренной кости, показало достаточные механические характеристики предложенной модели по основным показателям напряженно-деформированного состояния. Впервые рассчитаны оптимальные параметры соединения имплантата с костью. Обоснована форма имплантатов и особенности соединений имплантатов с костью. Проведенные исследования показали, что использование имплантатов с разными формами концов внутрикостного стержня (верхним цилиндрическим и нижним коническим концами) уменьшает напряжение в наиболее важных для длительной работы имплантата зонах модели, а именно: в зоне контакта спейсера с кортикальной частью кости и в зоне контакта кортикальной кости с металлическим винтом.
Разработаны новые способы соединения костных фрагментов и замещения послерезекционных дефектов длинной кости, что позволяет обеспечить надёжную первичную стабильность сегмента, сохранить её на максимально длительный период и позволяет нагружать конечность сразу же после операции. Разработана оригинальная конструкция имплантата, которая представляет собой внутрикостный стержень из углеродного материала и спейсер в виде пустотелой трубки, внутренний диаметр которой соответствует диаметру стержня, а также оригинальная модель замещения сегментарных дефектов длинной кости с разными вариантами соединений костных отломков, которые защищены декларационными патентами Украины.
Проведенная клиническая апробация разработанных способов остеосинтеза и замещения костных дефектов доказала принципиальную возможность использования имплантатов с УУКМ для остеосинтеза и замещения больших костных дефектов, возможность ранней функциональной нагрузки и разработки движений в смежных суставах, ранней дозированной осевой нагрузки конечности. Использование предложенных конструкций имплантата и модели замещения сегментарных дефектов позволяют сократить время проведения операции и уменьшить её техническую сложность, быстро восстановить функции конечности, улучшить качество жизни оперированных пациентов и их психологическое состояние, снизить затраты на восстановительное лечение.
Использование углеродных имплантатов дает возможность послеоперационного облучения, таким пациентам возможны проведения дополнительных КТ или МРТ исследований в отдаленные сроки после операции, потому что УУКМ не является источником вторичного облучения.
Полученные данные указывают на перспективность использования углеродных имплантатов для замещения практически любых дефектов длинных костей конечностей. По своим физико-химическим и механическим качествам, биологической инертности, надежности и удобству углеродный композиционный материал является уникальным имплантационным материалом, с которого можно изготавливать приспособления для остеосинтеза и эднопротезы длинных костей любой длины, формы и размеров.
Ключевые слова: углерод-углеродный композиционный материал, имплантаты, внутрикостный стержень, спейсер, остеосинтез.
SUMMURY
Komarov M.P. Substitution defects of long bones on the artificial implants on the carbon base. – Manuscript.
Thesis of the scientific degree of candidate of medical sciences on speciality 14.01.21 – traumatology and orthopedics – State institution “The institute of deflection the backbone and joints pr. M.I.Sytenko the Academy of medical science of Ukraine”, Kharkiv, 2008.
At the base of the dissertation was put the investigation directed at the elaboration and the experimental substation methods of substitution defects of bones on the artificial implants with a carbon-carbonic compositional material (CCCM).
Experimental investigations was proved the biological inertness CCCM the absence of the toxic action on neighboring and remote tissues; principled possibility of the compatible using carbon implants with metallic wares for the bone fixation, specifically with the protective isolation covering; sufficient mechanical characteristics of the offered model for the main indicators strain-variable state.
Was elaborated the original design of implant, witch is an intramedullary rod from the carbon material and a spacer witch looks like an empty tube, witch inside diameter is a diameter of rod and the original model of substitution segmental defects of the long bone with different versions of connection broken out parts of the bone, witch are protected by declaration patents of Ukraine.
Performed clinical approbation of elaborated ways bone fixation and substitution defects of the bones proved principled possibility of using implants with CCCM for bone fixation and substitution big defects of bones, possibility of the early functional loading of the limb.
Received information recognizes promising using carbon implants for substitution practically any defects of long bones of limbs.
Key words: carbon-carbonic compositional material, implants, intramedullary rod, spacer, bone fixation.