Хирургическое лечение тазобедренного сустава связано с проблемой современного медицинского материаловедения. Это объясняется тем, что материалы должны быть биосовместимыми и работоспособными до 100 лет.
В настоящее время в восстановительной хирургии тазобедренной области используются многочисленные металлические, керамические и полимерные материалы. [1] Остеоартроз тазобедренного сустава — одно из самых распространенных заболеваний тазобедренного сустава, это патология, сопровождающаяся сильной болью из-за повреждения хрящевой ткани. Необратимые дегенеративные дистрофические изменения затрагивают весь суставной комплекс. Остеоартроз, являясь хроническим прогрессирующим постепенно приводит к необратимым повреждениям, из-за которых во многих случаях приходится прибегать к замене скомпрометированного сустава на искусственный. [2]
Ключевые слова : эндопротез, титан, керамика, тазобедренный сустав
Surgical treatment of the hip joint is associated with the problem of modern medical materials science. This is because the materials must be biocompatible and workable for up to 100 years.
Currently, numerous metal, ceramic and polymer materials are used in hip reconstructive surgery. [1] Osteoarthritis of the hip joint is one of the most common diseases of the hip joint, it is a pathology accompanied by severe pain due to damage to cartilage tissue. Irreversible degenerative dystrophic changes affect the entire joint complex. Osteoarthritis, being chronically progressive, gradually leads to irreversible damage, which in many cases requires resorting to replacing a compromised joint with an artificial one. [2]
Keywords: endoprosthesis, titanium, ceramics, hip joint
Введение
Тазобедренный сустав — один из важнейших элементов опорно-двигательного аппарата, соединяющий проксимальные отделы нижних конечностей с тазовым поясом, представляющий непосредственно сочленение головки бедренной кости и вертлужной впадины. Гладкая сферическая головка бедренной кости идеально вписывается в полулунную поверхность вертлужной впадины, которая представляет собой чашеобразную полость, углубленную за счет прикрепленной к ней вертлужной губы. Помимо прочной капсулы сустава, образованной наружными связками, сустав стабилизируется внутри-капсульными связками. Головка бедренной кости покрыта толстым суставным хрящом, значительно снижающим трение между суставными поверхностями, такую же функцию выполняет и синовиальная жидкость, синтезируемая вертлужной губой. Эти особенности строения и мощный связочный аппарат призваны компенсировать высокую нагрузку веса верхней части тела на тазобедренный сустав. Постепенное изнашивание защитных факторов, особенно с возрастом, могут поставить под угрозу функционирование сустава. [5]
Эндопротезирование тазобедренного сустава в последние годы становится все более актуальным, что объясняется хорошими отдаленными результатами операции, позволяющими устранить боль в суставе, восстановить функцию конечности и способность к трудовой деятельности и самообслуживанию [6]. Эндопротезирование тазобедренного сустава проводится при ложных суставах шейки бедренной кости, посттравматических артрозах, коксартрозах (первичный идиопатический коксартроз, вторичные коксартрозы), асептические некрозы головки (аваскулярный некроз), дисплазии тазобедренного сустава, ревматоидном артрите. Современные эндопротезы тазобедренного сустава — сложные технические изделия. Обычно протез состоит из ножки, головки, чашки и вкладыша, каждый из этих компонентов имеет свой размерный ряд. Тип и качество материалов, применяемых в узлах трения во многом определяет срок службы эндопротеза. Протезы тазобедренного сустава различают по типу фиксации:
— эндопротезы цементной фиксации
— эндопротезы бесцементной фиксации [4]
Современные эндопротезы тазобедренного сустава — сложные технические изделия. Так же, как и естественный тазобедренный сустав, искусственный состоит из круглой головки и вогнутой впадины, в которой головка и вращается, позволяя осуществить нормальный объем движений. Обычно протез состоит из ножки, головки, чашки и вкладыша. [3]
Целью данной статьи является исчерпывающий обзор современного состояния биоматериалов, используемых в качестве медицинских изделий для лечения тазобедренного сустава. Более подробно наш обзор посвящен преимуществам, недостаткам и будущим перспективам использования биоматериалов: полимеров, металлов, керамики и композитов. Эта перспектива может дать более четкое представление о том, как исследования биоматериалов создают основу для разработки инновационных устройств для улучшения решений ортопедических клинических проблем [8]
Основная часть
Металлические материалы находят широкое применение в медицине и биоинженерии, а также в качестве компонентов ортопедических имплантатов. Наиболее распространенными традиционными металлами, используемыми для изготовления протезов тазобедренного сустава, являются нержавеющая сталь, титановые сплавы и, в основном, кобальт-хром-молибденовые сплавы. Последние обладают хорошей коррозионной стойкостью по сравнению с другими металлами и высокой ударной вязкостью, высокой износостойкостью и более высокой твердостью (HV = 350), чем другие металлы и полимеры.
Кобальт-хром-молибденовые сплавы
Шарнирное соединение металл-металл обычно изготавливается из кобальт-хром-молибденовых (CoCrMo) сплавов. Сплавы CoCrMo состоят из 58,9–69,5 % Co, 27,0–30 % Cr, 5,0–7,0 % Mo и небольшого количества других элементов (Mn, Si, Ni, Fe и C). Эти металлические сплавы можно разделить на 2 категории: высокоуглеродистые сплавы (содержание углерода> 0,20 %) и низкоуглеродистые сплавы (содержание углерода <0,08 %). Кобальт и хром присутствуют в окружающей среде и в продуктах питания.
Минусы: в высокой концентрации токсичны, подвергаются износу с выделением кобальта и хрома в синовиальную жидкость, могут возникать повышенные уровни циркулирующих ионов Co и Cr, мигрировавших в кровь. Плюсы: высокую износостойкость, прочность, высокая твердость. [5,6,7]
Другие металлические сплавы
Цирконий (Zr) и тантал (Ta) являются тугоплавкими металлами из-за их высокой химической стабильности и повышенной температуры плавления и очень устойчивы к коррозии из-за стабильности оксидного слоя. Испытание тантала в клинических условиях показало отличное костное врастание в пористые структуры, хорошие опорные свойства, так как модуль упругости одинаков у тантала и губчатой кости. [8] Изучение тантала и других материалов в качестве пористого покрытия для обеспечения первичной стабильности имплантата убедительно показало преимущества тантала [7]
Плюсы: имеют меньший модуль упругости, они ведут себя ближе к реальным костям и имеют лучшие возможности формования, имеют высокую динамическую твердость, что позволяет лучше распределять напряжение между имплантатом и костью. [5]
Титан
Титан имеет гексагональную и плотно упакованную структуру, которая при температуре 880 °С переходит в объёмную кубическую и центрированную формы. В титане бывают примеси, которые не превышают 1 % чистой массы (чаще это кислород и железо). Первые наблюдения за титан овыми пластинами и винтами при остеосинтезе показали, что негативная реакция мягких тканей организма отсутствует, а костная ткань плотно контактирует с титановыми изделиями и даже врастает в неровности их поверхности. [8]
Плюсы: биосовместимость, устойчивость к коррозии, снижена вероятность резорбции и атрофии кости.
Минусы : использование металлов с потенциальными токсикологическими проблемами в сплавах может привести к серьезным последствиям; жесткость меньше, чем у имплантатов из кобальт-хромового сплава. [6]
Углеродный эндопротез
Ножка эндопротеза изготавливается из углепластика и плотно фиксируется в бедренной кости по безцементной посадке. Головка эндопротеза изготавливается из прочного мелкозернистого графита марки МПГ-7 и соединяется с ножкой по конусной посадке.
Плюсы: высокая биосовместимость, не токсичен, не канцерогенен, не подвержен коррозии, износостойкий, низкий коэффициент трения [1,2]
Полимерные эндопротезы
Полимерные тазобедренные эндопротезы — это искусственные имплантаты, которые используются для замещения поврежденного сустава тазобедренного. Они изготавливаются из специальных полимерных материалов, таких как полиэтилен и полиуретан
Полиуретан имеет важное преимущество: будучи биоинертным, он может быть подвергнут ионно-плазменной обработке. В результате обработки его поверхность становится активной и на нее может быть адсорбирован протеин. Правильно адсорбированный протеин не только будет прочно связан с поверхностью, но и примет нужную конформацию. Иными словами, будет достигнута биосовместимость имплантата с организмом [9]
Плюсы: пластичность данных протезов позволяет изготавливать различные формы вкладышей, что значительно уменьшает риск вывиха сустава, имеют легкий вес, достаточно высокая биосовместимость
Минусы: вызывают злокачественное перерождение, проявляют хладотекучесть, быстрое старение, приводящее к деформации и разрушению эндопротеза, пластик достаточно быстро стирается, поэтому такой тип протеза не следует устанавливать молодым людям, ведущим активный образ жизни, имеют риск аллергических реакций
Керамика
В последние десятилетия керамические материалы продемонстрировали большую привлекательность и распространение благодаря своим химическим и физическим характеристикам, привлекая интерес ученых и компаний. Керамические материалы были внедрены в эндопротезирование тазобедренного сустава более двадцати лет назад для решения основной проблемы износа полиэтилена.
Глинозем
Керамика из глинозема была одним из основных материалов, используемых в эндопротезировании, благодаря ее хорошим трибологическим свойствам.
Плюсы: благоприятное фрикционное поведение и высокую износостойкость.
Минусы: слабая механическая стойкость [5]
Оксид алюминия
Используется для замены тазобедренного сустава, отличается от материала первого поколения, разработанного для промышленного применения.
Минусы: наличие слышимого шума у пациентов с эндопротезами «керамика-на-керамике», так называемые «щелчки» или «скрежет»
Плюсы: высокая износостойкость [5]
Цирконий
Разработки сосредоточены на стабилизирующем оксиде иттрия (Y-TZP), керамике, которая полностью состоит из зерен субмикронного размера, что представляет собой текущий стандарт для клинического применения. Y-TZP состоит из тетрагональных зерен размером менее 0,5 мкм. Такие микроструктурные параметры определяют механические свойства Y-TZP. Тетрагональные зерна могут трансформироваться в моноклинные, вызывая объемное расширение на 3–4 %, что позволяет достичь большой прочности керамики и ее способности рассеивать энергию разрушения.
Плюсы: обладает высокой прочностью и хорошими механическими свойствами; среди всей монолитной керамики он обладает самой выдающейся стойкостью к трещинам.
Минусы: быстрое старение в присутствии воды [5]
Цирконий, закаленный оксид алюминия
Во второй половине 1970-х годов был разработан новый класс композиционных материалов на основе керамики. Этот новый композиционный материал был реализован путем введения до 25 % мас. диоксида циркония в матрицу из оксида алюминия; материал известен как упрочненный цирконием оксид алюминия (ZTA). Добавление фракции циркония к оксиду алюминия приводит к получению композиционного материала повышенной прочности.
Плюсы: износостойкий, обладает высокой прочностью
Минусы: вызывает резорбцию кости при прямом контакте [1,8]
Вывод
Материалы для эндопротезирования тазобедренных суставов играют решающую роль в успешности операции и долгосрочной надежности имплантата. Современные технологии позволяют использовать различные материалы, такие как титан, кобальт-хром, керамика и полимеры, каждый из которых имеет свои особенности и преимущества. Выбор подходящего материала и типа импланта чаще всего проводят с помощью системы клиники Lahey, которая может адаптироваться под параметры технического оснащения больницы и опыт хирурга. Врачи учитывают такие критерии: возраст пациента, вес пациента, предполагаемый уровень активности после операции, общее состояние здоровья, объем собственной костной массы (бедренный индекс).
Применение инновационных материалов и технологий позволяет значительно улучшить качество жизни пациентов, обеспечивая им максимальный комфорт и функциональность после операции.
Литература:
- Золкин П. И., Кавалерский Г. М., Середа А. П., Аберяхимов Х. М., Алтуфьев А. В., Бережнова А. А. Углеродный эндопротез тазобедренного сустава // Гений ортопедии. 2015. № 2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/uglerodnyy-endoprotez-tazobedrennogo-sustava (дата обращения: 02.05.2024).
- Affatato, S.; Spinelli, M.; Squarzoni, S.; Traina, F.; Toni, A. Mixing and matching in ceramic-on-metal hip arthroplasty: an in-vit-ro hip simulator study. J. Biomech. 2009, 42, 2439–2446.
- Пугачёв А. Н., Пучков А. П., Наумов В. Г. Эндопротез тазобедренного сустава полный «Компомед» // Гений ортопедии. 2004. № 3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/endoprotez-tazobedrennogo-sustava-polnyy-kompomed (дата обращения: 02.05.2024
- Жармухамбетов Е. А., Тусупов Д. М., Молдабеков С. Ж. Эндопротезирование тазобедренного сустава // Вестник хирургии Казахстана. 2011. № 2 (26). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/endoprotezirovanie-tazobedrennogo-sustava (дата обращения: 02.05.2024).
- Merola, Massimiliano, and Saverio Affatato. 2019. «Materials for Hip Prostheses: A Review of Wear and Loading Considerations» Materials 12, no. 3: 495. URL: https://doi.org/10.3390/ma12030495 (дата обращения: 03.05.2024)
- Лоскутов А. Е., Головаха М. Л. Тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава при диспластическом коксартрозе // Ортопед., травматол. и протезир. — 1998. — № 3- — С. 122–123.
- Загородний, Н. В. Эндопротезирование тазобедренного сустава. Основы и практика: руководство / Загородний Н. В. — Москва: ГЭОТАР-Медиа, 2012. — 704 с. — ISBN 978–5-9704–2225–0. — Текст: электронный // ЭБС «Консультант студента»: [сайт]. — URL:https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970422250.html (дата обращения: 02.05.2024).
- Некишева А. А., Абдулазизов Б. Д., Пешеходько Д. И. Обзор материалов для изготовления эндопротезов тазобедренного сустава // Медицина. Социология. Философия. Прикладные исследования. 2020. № 6. URL:https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-materialov-dlya-izgotovleniya-endoprotezov-tazobedrennogo-sustava (дата обращения: 03.05.2024).
- Гаришин О. К., Соколов А. К. Моделирование использования АСМ при исследовании полиуретановых образцов с карбонизированной поверхностью // Вестник Пермского университета. Серия: Физика, no. 2, 2023, pp. 36–44.
