Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Медицина arrow Биомеханика. Основные понятия. Эндопротезирование тканей и органов

ИМПЛАНТАТЫ КОСТНОЙ ТКАНИ

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИМПЛАНТАТОВ КОСТНОЙ ТКАНИ

Механические характеристики компактной костной ткани определяются главным образом микроструктурой и взаимодействием двух ее основных составляющих - коллагена и минеральных веществ. Минеральное вещество представлено двумя основными фазами - аморфной и кристаллической (гидроксилапатит).

Модуль упругости костной ткани рассчитывается как

где Еа - начальный модуль упругости армирующих волокон; V - VA + + VM - общий объем, состоящий из объемов армирующего компонента и матрицы; GM - модуль сдвига матрицы.

Основные прочностные характеристики костной ткани:

^сжатие бедр. продольн. 45 Ю Н • М муж» 39 • 10 Н • М жен> ^круч

= 105,4 МПа (25-35 лет)-•• 90 МПа (go лет)- Разрушающий момент при кручении -120 Н • м; ст ИзГИб бедр. = 2,5 • 1(т Н • м.

Существенное влияние на механические характеристики костной ткани оказывает содержание в ней межфибриллярного вещества, в том числе жидкости (воды).

Содержание воды в костной ткани зависит от возраста и изменяется от 60 % у новорожденных до 10 % у взрослых людей. Влага действует в основном только на органический компонент. При увеличении уровня влажности костной ткани снижаются значения модуля упругости, уровень разрушающих напряжений и повышается деформация при разрушении. Микродеформация сухой (влажность не более 2,5 %) костной ткани имеет большее значение по сравнению с влажной (влажность более 10,5 %).

Увеличение напряжений во влажных образцах приводит к деструктивным процессам в области раздела между органической и минеральной составляющими. Интенсивный рост общей деформации в дальнейшем происходит не за счет микродеформации минерального кристаллического компонента, а за счет проскальзывания между минеральным и органическим компонентами. Далее продолжает деформироваться только органический компонент.

Сухая костная ткань разрушается хрупким образом при максимальном значении разрушающей деформации.

С увеличением возраста костная ткань претерпевает ряд изменений (появление вторичных остеонов, увеличение пористости). В возрастной период с 50 до 75 лет пористость срединной части кости существенно не меняется и составляет 28,5 %, однако в окружном направлении пористость увеличивается в указанный период в среднем на 39,5 %.

Спонгиозная костная ткань составляет около 20 % массы скелета (позвонки, концевые отделы трубчатых костей, внутренний слой ребер и лопаток).

Первичная спонгиозная ткань состоит из минеральных ламелл и образуется при перестройке хрящевой ткани.

Пространственная структура вторичной спонгиозной ткани формируется из трабекул (костных балочек, которые образованы из тонких костных ламелл цилиндрической или плоской формы, толщиной 0,2...0,6 мм, длиной 1,8 мм). Пространство между трабекулами заполнено костным мозгом, межклеточной жидкостью, клетками. Строение спонгиозной костной ткани по объему неоднородно и анизотропно. В ее структуре находят отражение траектории напряжения в кости (траектории перемещения элементов объема костной ткани при ее сжатии и растяжении, возникающие под действием нагрузки, совпадают с расположением костных балочек).

Значения механических характеристик спонгиозной ткани, приведенные В Литературе, ИМеЮТ ОЧеНЬ боЛЬШОЙ разброс: Эпифиз, труб.кости - = 26... 600 МПа, вразруш., сжат = 1,25... 24 %, Оразруш., сжат = з ,7... 11,4 МПа.

Вязкоупругая составляющая комплексного Етн незначительна. Ударные воздействия амортизируют в основном трабекулы за счет упругого деформирования и частично микроразрушения. Выделено три вида разрушения трабекул: образование трещин между ламеллами трабекул - при медленном статическом нагружении; образование трещин, проходящих через ламеллы; распространение трещин.

К эндопротезам, замещающим костную ткань, предъявляются следующие основные требования:

  • -способность материала к выравниванию напряжений по объему эндопротеза;
  • - индивидуальная совместимость эндопротеза по размерам и биомеханическим требованиям;
  • -обеспечение различия в физико-механических характеристиках для левосторонних и правосторонних эндопротезов, в том числе за счет спиральной конструкции армирующих элементов.

Несмотря на ограниченный список абсолютных показаний (закрытие дефектов костей черепа, челюстно-лицевая хирургия, протезирование утерянных фаланг пальцев, эндопротезирование элементов суставных соединений), в современной практике костного протезирования достаточно частым является использование небиодеградируемых материалов. Основные сложности использования небиодеградируемых эндопротезов связаны с постоянным механическим воздействием эндопротеза на окружающие ткани и проскальзыванием его в тканевой среде, что может вызвать затруднения в образовании нормальной капсулы, нарушение обменных процессов и некротические изменения.

Улучшение приживаемости небиодеградируемого имплантата может быть достигнуто приданием ему пористости или введением перфорации. Это в значительной мере способствует прорастанию ткани в массу имплантата и формированию вокруг него тканевой капсулы.

Для достижения достаточного прорастания ткани в поры их диаметр должен быть не менее 100 мкм. Если в соответствии с конструкционными требованиями использование перфорации невозможно, она может быть заменена системой углублений (до 2...3 мм) на поверхности имплантата. При наличии пор либо рельефной поверхности имплантата образование соединительно-тканной оболочки на границе кость-имплантат приобретает гораздо менее выраженный характер.

Среди традиционных небиологических материалов для костного эндопротезирования широко применяют металлы и сплавы (титан, нержавеющая сталь, сплавы Со и Сг; Со, Сг и Mo; Ti и Zr), а также пористые материалы на их основе.

Для металлов главный недостаток - высокая жесткость, следствием чего является рассасывание костной ткани вокруг имплантата с образованием фиброзной капсулы. Процессу асептического расшатывания металлических имплантатов способствуют коррозия металла и диффузия ионов, вызывающая реакцию окружающих тканей - металлоз. Нередки переломы металлических конструкций, которые объясняются низкой устойчивостью металлов к циклическим нагрузкам. Ионы некоторых металлов являются ядом и способны перерождать ткани.

Среди силикатных материалов особое внимание привлекает так называемая «биокерамика», основой которой является гидроксилапа- тит. Циркониевая и алюминийоксидная керамика в комбинации с гид- роксилапатитом обладают достаточно высокой прочностью, биоинертностью, относительно низкими модулем упругости и рентгеноконт- растностью. Пористая керамика обеспечивает имплантатам биологическую фиксацию за счет врастания костной ткани в поверхностные поры (с минимальным образованием соединительной ткани на границе кость-имплантат). Однако по сравнению с другими используемыми материалами керамика имеет более высокую хрупкость и низкую сопротивляемость ударным нагрузкам.

Полимеры (такие как полиэтилен, силиконовая резина, фторопласт- 4, полиуретан) имеют как положительные свойства (низкая электропроводность, отсутствие коррозии и др.), так и ряд недостатков. Если полимер биологически инертен, то составляющие его мономеры в случае неполной либо незавершенной полимеризации обладают определенной токсичностью. При контакте с костной тканью такой полимер отделяется от нее соединительно-тканной капсулой. Токсичность полимерного имплантата может поддерживаться либо усиливаться процессами, вызывающими его биологическое старение.

В настоящее время существуют образцы эндопротезов костной ткани, выполненные преимущественно на основе углеродных материалов. Примером такого материала является «Углекон-М» (разработчик - Уральский НИИ композиционных материалов). Композиционная структура этого материала представляет собой сплетение углеродных нитей, связанных пиролитическим углеродом, что придает ему высокую устойчивость при циклических нагрузках. Возникающие трещины обрываются, дойдя до ближайшего углеродного волокна. Углеродный материал инертен по отношению к тканям.

Особенностью данного материала является сочетание в нем высокой прочности с низким модулем упругости, что позволяет избежать травмирования костной ткани. В результате врастания костной ткани в неровности имплантата между ними формируется прочный блок.

Комплекс физико-механических свойств, характерный для композиционных материалов, определяет их большую пригодность для изготовления имплантатов костной ткани.

Композиционные материалы для имплантации на основе углеродных волокон составляют три большие группы.

1. Материалы с углеродной или карбидной матрицей.

Достоинства таких материалов состоят в следующем:

  • - относительно высокая биоинертность;
  • - высокая прочность;

Е

-относительно высокая податливость —ЩЙЫ- = 1,5_4 (для метал-

Е

КОСТ

лов - 10; для неармированной керамики - 15).

В то же время углеродные материалы с карбидной матрицей в этой группе композитных материалов являются менее предпочтительными для костной имплантации по следующим причинам:

  • ?
  • --импл_ для них больше? чем для углеродных материалов с угле-

F

^кост

родной матрицей, кривые «напряжение-деформация» для материала имплантата и костной ткани имеют различный характер, что часто приводит к нежелательным перемещениям и расшатыванию имплантата;

  • - запас прочности материала недостаточен, особенно при растяжении перпендикулярно к направлению волокна;
  • - твердость углекерамики может превышать твердость кости в пять раз, что приводит к большим контактным напряжениям;
  • - низкий уровень износостойкости углекерамического материала.

Механические свойства углеугольного композита и углеродсодержащих материалов приведены в табл. 4.1 и 4.2.

Таблица 4.1

Свойства однонаправленного армированного углеугольного композита

Характеристика

Значение

Плотность, г/см3

1,6...1,7

Модуль упругости, ГПа

120...150

Прочность на изгиб (параллельно направлению армирования), МПа

600... 800

Прочность на изгиб перпендикулярно к оси волокон, МПа

30...35

Прочность при межслойном сдвиге

30...40

Таблица 4.2

Механические свойства различных форм углеродсодержащих материалов

Материал

Прочность на изгиб, МПа

Модуль прочности на изгиб, ГПа

Изотропный пироуголь

520

28

Пиролитический графит

140

24

Стеклоуголь

170

24

Специальный графит (для композита)

130

25

Композит уголь-уголь

800

180

2. Материалы на основе полимерных матриц.

Материалы данной группы представляют собой комбинации различных волокон и матриц, а также могут содержать в своей структуре несколько видов волокон (гибридные материалы).

Для решения задач костной имплантации наиболее оправданно применение следующих видов волокон: стеклянные (наиболее доступные), угольные (наиболее биоинертные и устойчивые), борные (наиболее прочные, но жесткие), органические (наиболее податливые и высокопрочные).

Сравнительные характеристики механических свойств волокон различного типа приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Сравнительные данные о некоторых свойствах натуральных и искусственных волокон

Волокнистый

материал

Модуль

упругости,

ГПа

Прочность при растяжении, МПа

Разрушающее удлинение, %

Целлюлоза (сухая)

80

900

2,3

Хитин

80

4000

4,2

Коллаген (мокрое сухожилие)

2

100

8...10

Zs-стекло

70

1500...2000

2,0...3,0

Углеродное волокно

200...400

1900...2600

0,5...1,5

Борное волокно

400

3400

0,5...1,0

Кевлар-49 (ароматический полиамид - органическое волокно)

130

2700

2,0...3,5

Сталь (высокое содержание углерода)

210

2800

0; 5

В качестве матрицы могут использоваться: полиметилметакрилаты, полиэтилен особо высокой молекулярной массы (ПОВММ), полисуль- фоны, эпоксидные смолы, сополимер полилактида.

В настоящее время существует возможность получения материала на основе полимерных матриц практически с любой жесткостью, в том числе в пределах значений этого параметра для костной ткани, и с высокой прочностью, что позволяет определить его высокую пригодность для сложного протезирования, например, протезирования со спиральным армированием участков кости.

3. Материалы с составляющими биологического происхождения.

К таким материалам относятся: комбинация коллагена и гидроксил- апатита с добавлением полимерных связующих; элементы кораллового скелета; элементы дерева.

Материал на основе коллагена и гидроксилапатита стимулирует врастание костного вещества в имплантат, однако он имеет относительно низкие показатели прочности на сжатие и разрыв по сравнению с костной тканью при близких значениях модуля упругости. Плотная керамика из гидроксилапатита по сравнению с костной тканью имеет пониженные трещиностойкость (в 2...4 раза) и прочность на изгиб. Считается, что имплантат за счет прорастания в него костной ткани приобретет близкие к ней физико-механические свойства, однако чаще всего взаимодействие между структурами происходит в его приповерхностных зонах. Перспективным методом упрочнения этого вида материала может являться введение в его структуру угольных либо полимерных волокон.

При использовании кораллового скелета предполагается, что пористый скелет коралла, состоящий из солей кальция, послужит остовом для врастания тканей человека.

Специально обработанные фрагменты ясеня и березы (фаза угля с пористостью до 30 %) показывали высокую биосовместимость и приемлемые механические характеристики. Основным недостатком этой подгруппы материалов является их недостаточная долговечность.

Материалы с составляющими биологического происхождения находят применение в качестве заместителей относительно небольших участков костной ткани [5, 6, 14, 16].

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы