Механические свойства системы кость-имплантат-кость в условиях остеосинтеза при переломах проксимального отдела бедра


Авторы представляют материалы стендовых испытаний системы кость-имплантат-кость. Исследованы пять групп образцов бедренной кости с переломами проксимального отдела бедра, полученными закрытым способом по одинаковому механизму в эксперименте на биоманекенах, синтезированные различными видами имплантатов с рандомизацией технологии остеосинтеза, а также одна группа с интактной костью.

The mechanical properties of bone-implant- bone systems, in condition of osteosynthesis in fractures of the proximal femur

The authors present materials bench test system bone-implant bone. It is studied five groups of samples of femoral fractures of the proximal femur obtained privately by the same mechanism in the experiment on biomannequin synthesized by different types of implants with randomization osteosynthesis technology, as well as one group with an intact bone.

Введение

Обилие существующих хирургических технологий остеосинтеза проксимального отдела бедра зачастую усложняет выбор специалиста и является доказательством отсутствия «золотого стандарта». Литературные сведения и ортопедическая практика позволили установить наиболее распространенные доктрины оперативного лечения переломов проксимального отдела бедра (типы 3.1.А, В по классификации АО) — это динамический бедренный винт, гамма-гвоздь, реконструктивный гвоздь, канюлированные винты. По мнению большинства авторитетных ученых, предопределяющим механическое взаимоотношение системы кость-имплантат-кость является резистентность к стартовой осевой нагрузке. В связи с этим представляет большой интерес сравнительная оценка сертифицированных имплантатов, применяемых в широкой ортопедической практике. Нами были проведены стендовые испытания системы кость-имплантат-кость в условиях, приближенных к реальным по механогенезу разрушения.

Целью исследования является изучение прочностных характеристик системы кость-имплантат-кость при остеосинтезе проксимального отдела бедра с экспериментальными переломами типа 3.1.А, В (АО).


Материал и методы исследования

Исследованы пять групп образцов бедренной кости с переломами типа 3.1.А и одна группа с переломами типа 3.1.В (АО) проксимального отдела бедра, полученными закрытым способом по одинаковому механизму в эксперименте на биоманекенах, синтезированные различными видами имплантатов с рандомизацией технологии остеосинтеза, а также одна группа с интактной костью.

Биоманекены были сопоставимы по антропометрическим, возрастным и половым характеристикам. Методом случайного выбора определялся образец кость-имплантат-кость для проведения испытания. Каждая исследуемая система подвергалась дозированной нагрузке по оси конечности, до полного разрушения со скоростью 5 мм в мин. на универсальном динамометре INSTRON 1185 (рис. 1).

Рисунок 1. Расположение испытуемых систем кость-имплантат-кость в динамометре INSTRON 1185 и рентгенограммы образцов после остеосинтеза:


untitled-461 — образец с переломом типа 3.1-А2.1, синтезированный динамическим бедренным винтом с длинной диафизарной пластиной и вертельной накладкой (группа 1);

2 — образец с переломом типа 3.1-А1.2, синтезированный динамическим бедренным винтом с короткой диафизарной пластиной и вертельной накладкой (группа 2),

3 — образец с переломом типа 3.1-А1.1, синтезированный динамическим бедренным винтом (группа 3);

4 — образец с переломом типа 3.1-А3.3, синтезированный гамма-гвоздем (группа 4);

5 — образец с переломом типа 3.1-А2.1, синтезированный реконструктивным гвоздем (группа 5);

6 — образец с переломом типа В2.3, синтезированный канюлированными винтами (группа 6);

7 — образцы с интактной костью (группа 7).

Протоколирование стендовых испытаний проводилось с помощью аналогового цифрового преобразователя с автоматической регистрацией времени, скорости, силы нагрузки и кинематографии. На стенде регистрировались максимальные пиковые значения сопротивления нагрузке, длительность эффективного сопротивления нагрузке, критические точки несостоятельности системы, величина падения межфрагментарной стабильности и характер падения напряжения.

Результаты исследования. Стендовые испытания системы кость-имплантат-кость, а также интактной кости, обнаружили, что максимальную пиковую прочность продемонстрировала группа интактных образцов, которые разрушились при нагрузке равной в среднем 7800Н. При этом исследуемые стандартные технологии с использованием сертифицированных имплантатов по прочностным свойствам показали следующие результаты: группа 1 — 51,83% (4043Н) от механической прочности интактной кости, группа 2 — 48,71% (3799Н), группа 5 — 40,99% (3197Н) и группа 4 — 37,49% (2924Н), группа 3 — 27,31% (2130Н), группа 6 — 20,55% (1603Н).

Наибольшую временную резистентность продемонстрировали образцы, синтезированные реконструктивным гвоздем, остававшиеся стабильными на 275-й секунде эксперимента; сопоставимые характеристики были выявлены у систем фиксированных гамма-гвоздем и динамическим бедренным винтом с длинной диафизарной пластиной и вертельной накладкой, которые потеряли устойчивость на 174-й и 217-й секунде исследования. Меньшую временную сопротивляемость продемонстрировали образцы, фиксированные канюлированными винтами и динамическим бедренным винтом без вертельной накладки, которые разрушились на 81-й и 60-й секунде исследования соответственно (рис. 2).

Рисунок 2. Прочностные характеристики системы кость-имплантат-кость в условиях остеосинтеза проксимального отдела бедра

untitled-54В условиях осевой нагрузки система кость-имплантат-кость имела различные характеристики поведения. Падение напряжения в интактных образцах происходило одномоментно, в отличие от других групп, в которых кривая падения напряжения снижалась постепенно. При этом группы с реконструктивным гвоздем и гамма-гвоздем после достижения критической точки разрушения системы характеризовались резким снижением тренда, в то время как в группах с динамическим бедренным винтом и вертельной накладкой кривая падения напряжения имела более пологую форму.

Анализ закономерностей критических точек нарушения системы кость-имплантат-кость выявил, что динамический бедренный винт, гамма-гвоздь и реконструктивный гвоздь расстабилизировались в большинстве случаев за счет перфорации головки бедра винтом, иногда это происходило при межфрагментарном смещении, в одном случае отмечен чресфиксаторный перелом. При этом наибольшую стабильность по линии перелома продемонстрировали образцы, синтезированные динамическим бедренным винтом с вертельной накладкой и реконструктивным гвоздем. Значительное смещение фрагментов было выявлено в образцах с канюлированными винтами (рис. 3). При осевой нагрузке на интактную кость перелом локализовался в базальной части шейки бедра, типа 3.1.В2.1 (АО).

Обсуждение и выводы. Стендовые испытания системы кость-имплантат-кость в условиях остеосинтеза проксимального отдела бедра установили, что исследуемые технологии остеосинтеза проксимального отдела бедра при переломах типа 3.1.А, В (АО) не позволяют преодолеть 51,83% механической прочности интактной кости, при этом самые высокие прочностные характеристики были отмечены у образцов с большим диафизарным компонентом.

Оценка характера поведения систем в условиях осевой нагрузки выявила, что одномоментное падение напряжения отмечалось у интактных образцов, а кривые системы кость-имплантат-кость демонстрировали постепенное падение напряжения.

Максимальную длительную устойчивость во временном разложении продемонстрировали системы с реконструктивным гвоздем и динамическим бедренным винтом с длинной диафизарной пластиной и вертельной накладкой, которые превосходили другие образцы по временной резистентности в 3-4 раза.

Межфрагментарная стабильность была выше в системах с динамическим бедренным винтом с вертельной накладкой и реконструктивным гвоздем, при этом смещение в них происходило, как правило, за счет перфорации головки бедра винтом.

Таким образом, проведенное экспериментальное исследование на биоманекенах с созданием случайной модели разрушения по однотипной стандартной схеме механогенеза перелома установило, что остеосинтез проксимального отдел бедра при переломах типов 3.1.А,В (АО) по современным технологиям обеспечивает исходную прочность в пределах 51,83% от интактной кости. Изученные виды остеосинтеза дают возможность создания пролонгированной устойчивости сопротивления нагрузке, и разрушение системы происходит за счет перфорации головки бедра и вторичного межфрагментарного смещения. Самую высокую резистентность и временную выносливость продемонстрировали образцы с наиболее длинным диафизарным компонентом. Оценка стартовых характеристик устойчивости системы кость-имплантат-кость при использовании изученных технологий остеосинтеза проксимального отдела бедра при переломах типа 3.1А,В (АО) позволяет определить критические точки несостоятельности системы и раскрывает перспективу совершенствования эксплуатационных качеств имплантата. Исходные и временные характеристики синтезированного сегмента диктуют определенную схему функциональной реабилитации и нагрузочного режима.

Минасов Б.Ш., Минасов Т.Б., Хакимов М.Р., Шигаев Е.С.

Башкирский государственный медицинский университет, г. Уфа

Казанский государственный медицинский университет, г. Казань

Минасов Булат Шамильевич — доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой травматологии и ортопедии с курсом ИПО БГМУ

Литература:

1.  Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика: Учебник для вузов. — СПб: Политехника, 2000. — 463 с.

2.  Кемпф И., Таглан Ж. Гамма-гвоздь: исторический обзор / Остеосинтез, 2007. — № 1. — С. 12-17.

3.  Лоренс Риггз Б., Джозеф Мелтон III.Л. Остеопороз. Пер. с англ. — М.-СПб: Издательство БИНОМ, «Невский диалект», 2000. — 560 с.

4.  Шен В.И. Осложнения при использовании стандартного и длинного гамма-гвоздей и способы их предотвращения / Остеосинтез, 2007. — № 1. — С. 17-25.

5.  Biomechanical Evaluation of Periprosthetic Femoral Fracture Fixation / Rad Zdero, Richard Walker, James P. Waddell and Emil H. Schemitsch J Bone Joint Surg Am. 2008; 90: 1068-1077.

6.  Dittel K.-K., Rapp M. / The Double Dynamic Martin Screw (DMS). Adjustable Implant System for Proximal and Distal Femur Fractures / 2008. — 185 p.

7.  Parker M.J., Handoll H.H. Gamma and other cephalocondylic intramedullary nails versus extramedullary implants for extracapsular hip fractures. (Cochrane review). In the Cochrane Library, Issue 1, 2001. Oxford: Update Software.

8.  Sommers Mark B. MS Лабораторная модель оценки устойчивости к прорезыванию имплантатов, используемых для остеосинтеза чрезвертельных переломов / Sommers Mark B. MS; Roth, Christoph MS; Hall, H. MS et al / Margo Anterior, 2006. — № 1. — С. 5.