04.06.2020
Биомеханическое обоснование использования интрамедуллярных спиц с биоактивным покрытием в лечении переломов длинных трубчатых костей
Проведенные расчеты свидетельствуют, что в реальной жизни врач-травматолог вполне может рассчитывать на прочность консолидации голени у больного при раннем демонтаже аппарата Илизарова для продольной нагрузки свыше180 кгс и нагрузки на срез (свыше 100 кгс).
Проблема совершенствования медицинской помощи больным с повреждениями опорно-двигательной системы с каждым годом приобретает всё большее значение в связи с ростом числа пострадавших и увеличением уровня инвалидности от травм у лиц трудоспособного возраста и детей [5, 6, 7]. Достаточно сказать, что в Российской Федерации ежегодно регистрируется более 20 миллионов травм и заболеваний костно–мышечной системы. Уровень травматизма в России достиг 88,5 на 1000 населения, а инвалидизация после травм повысилась с 46,7 до 56,9 %. При этом показатели полной реабилитации инвалидов понизились с 20,9 до 15,4 %.Среди причин инвалидности от травм доминирующее положение занимают травмы бедра и голени, констатируя тем самым определенную несостоятельность существующих методов лечения и реабилитации пострадавших, которые, к сожалению, не гарантируют положительного исхода.
Отечественная травматология в свое время разработала целый ряд эффективных методов чрескостного и внутрикостного остеосинтеза, однако реальные сроки лечения пациентов продолжают оставаться значительными, а уровень инвалидизации после травм продолжает расти во всех регионах страны, о чем свидетельствуют материалы VIII и IX съездов травматологов-ортопедов России.
Появление новых технологий, основанных на применении биоактивных интрамедуллярных имплантатов, призвано не только гарантировать положительный результат лечения переломов длинных трубчатых костей,
но и осуществить это в очень короткие сроки [8, 3, 4].Данная работа написана с целью биомеханического обоснования увеличения стабильности остеосинтеза
длинных костей и возможности значительного сокращения сроков консолидации костных фрагментов.МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Экспериментальные исследования для изучения морфологических особенностей процесса регенерации кости вокруг интрамедуллярных спиц, имеющих покрытие из гидроксиапатита (ГА), провели на 12 взрослых беспородных собаках с длиной голени 16-20 см, которым моделировали открытый перелом костей голени остеотомией диафиза, а остеосинтез аппаратом Илизарова осуществляли по типичной для клиники методике. Животных выводили из опыта через 2, 3, 4, 6 недель, 3, 6 и 12 месяцев. Содержание, операции и эвтаназию животных осуществляли в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием эскпериментальных животных», утвержденных приказом Министерства здравоохранения СССР No 755 от 12 августа 1977 г. и Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (Страсбург, 1986).
Методы исследования наряду с клиническими, рентгенологическими и гистологическими включали стендовые испытания сращения перелома методом поперечной нагрузки кости на изгиб с измерением возможного упругого прогиба кости.
Принципы интрамедуллярного остеосинтеза. В ближайшем к перелому метафизе с помощью шила диаметром 3-4 мм в кортикальном слое кости формируют сообщающиеся с костномозговым каналом наклонные отверстия. Через эти отверстия проводят две дугообразно изогнутые спицы с биоактивным ГА покрытием.
Длина спиц должна соответствовать длине костно-мозгового канала, а вершина дуги спиц расположена на уровне перелома. После того как спица прошла в канал на заданную величину избыток длины спицы скусывается, а ее конец загибают и погружают под фасцию сегмента конечности. После введения интрамедуллярных спиц мягкие ткани зашивают наглухо и осуществляют чрескостный остеосинтез укороченного сегмента конечности аппаратом Илизарова в той комплектации, которая соответствует поставленной перед хирургом задачи.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгенологические проявления процесса репаративной регенерации костной ткани мы начинали замечать через 2 недели после операции в виде незначительной по объему нежной облаковидной тени, расположенной в диастазе между отломками (высота дистаза не превышала 1 мм) либо периостально на уровне перелома. Наличие подобной тени костного регенерата для клинициста является показанием для возможного прекращения чрескостного остеосинтеза и демонтажа аппарата Илизарова (рис.1).
.png)
У всех животных демонтаж аппарата Илизарова провели через месяц после операции (за исключением тех, которых вывели из эксперимента в более ранние сроки). К этому времени рентгенологически определялась консолидация костных фрагментов.
После снятия аппарата дополнительной иммобилизации не проводили, и собаки полностью использовали оперированную конечность при ходьбе.
При клинической пробе на консолидацию при демонтаже аппарата какой-либо подвижности в зоне перелома не определялось.
Для количественного анализа степени сращения у собак провели стендовые испытания, нагружая выделенную кость на изгиб: степень нагрузки – от 1до 8 кг, степень прогиба кости не превышала 0,6 мм.
Гистологически в зоне перелома уже через 2 недели фиксации определяется частичное интермедиарное сращение (новообразованная костная ткань активно врастает со стороны эндоста (рис. 2, а), а уже через 3 недели после операции видна полная картина консолидации перелома – новообразованная костная ткань врастает интермедиарно и с эндостальной поверхности, и от концов отломков (рис. 2, б).
Интермедиарное костное сращение. Новообразованная костная ткань врастает с эндостальной поверхности и от концов отломков
Формирование губчатого вещества кости вокруг интрамедуллярной спицы с биоактивным покрытием приводит к полному заполнению костномозгового канала вновь образованной костью. Образованный костный столбик губчатого вещества перекрывает зону перелома кости, что способствует повышению прочности кости в данной зоне и, следовательно, возможной опороспособности конечности после демонтажа аппарата Илизарова. Для обоснования данного положительного эффекта выполнены биомеханические расчёты.
Расчеты величины нагрузки на конечность при остеосинтезе кости армированной титановой спицей с биоактивным покрытием
При расчёте использован ряд допущений, которые, по нашему мнению, существенно не влияют на полученные выводы. Предел прочности при растяжении– сжатии для губчатой костной ткани принят как σ =6,2МПа, модуль упругости – E=200 Мпа [1], сечение костномозгового канала принято круглым. Предполагаем, что «футляр», образовавшейся вокруг спицы из губчатого вещества кости, прочно соединен с кортикальным слоем кости и со спицей. На рисунке 4,а представлена схема нагружения конечности при ходьбе, показаны направления возникающих усилий, принятых при биомеханических расчетах.
Под действием нагрузки P в зоне перелома возникают несколько видов напряжений, таких как напряжения сжатия, изгиба и сдвига. Место перелома кости с элементами, принятыми в расчетах, показано на рисунке 4, б.
Сжатие зоны перелома происходит продольной составляющей F от нагрузки P (F=P×cosα). Схема нагружения зоны перелома при сжатии представлена на рисунке 5, а.
Нагрузка F с кортикального слоя через образованный костный «футляр» передается на интрамедуллярную спицу. При этом в губчатом веществе кости возникают касательные и нормальные напряжения, которые вызывают срез и сжатие.
Условие прочности на срез: t≤[t], где [t] – допустимые касательные напряжение губчатой костной ткани, принимаем [t]=0,55×[σ] = 3,4 Мпа, при [σ] = 6,2 Мпа,
[σ] – предел прочности губчатой костной ткани [1],
t –касательные напряжения.
Касательные напряжения определяем из уравнения: t=F/S, где F – продольная составляющая силы Р;
S=c×π×d2 –площадь зоны среза.
Опасным сечением на срез считаем зону контакта со спицей, поскольку ее площадь наименьшая.
Рассчитаем предельную допустимую нагрузку на срез в зоне контакта со спицей: F=[t]×S=73 кгс.
Для зоны контакта костного «футляра» с компактным веществом кости при площади зоны среза
S=25,1см2, предельно допустимая нагрузка на срез равняется F=835 кгс.
Условие прочности на сжатие: σ<[σ], где [σ] – допустимые нормальные напряжения губчатой костной ткани; σ – нормальные напряжения.
Нормальные напряжения определяем из уравнения:
σ=F/S1,
где S1– площадь сечения костного «футляра»:
S1=π×r2– S2
,где r – радиус костного «футляра», а S2= π×r2
– площадьс ечения спицы (r – радиус спицы).
Рассчитываем предельную допустимую нагрузку на сжатие:
F=[σ]×S1=188,1 кгс.
Таким образом, критерием прочности места перелома от действия продольной составляющей F нагрузки на конечность P будет предельная допустимая нагрузка на сжатие F=188,1кгс.
Изгиб зоны перелома происходит под действием поперечной составляющей N нагрузки P, которая вызывает изгибающий момент M (момент от силы F не учитываем).
Рассмотрим схему нагружения зоны перелома изгибающим моментом (рис. 5, б). В сечении а–а от действия изгибающего момента М возникают напряжения растяжения–сжатия.
Основным условием прочности на изгиб считается σ≤[σ], где [σ] – допустимые нормальные напряжения, для губчатого вещества кости– 6,2Мпа, для титановой спицы – 400 Мпа [2, 10], σ – нормальные напряжения.
Так как в опасном сечении имеются материалы с разными свойствами, мы используем уравнения для расчета двухслойной балки на изгиб [9, 10].
Нормальные напряжения при изгибе для двухслойной балки определяем из уравнений:
– для костного «футляра» σ1=M×r×E1/(E1×J1+E2×J2);
– для спицы σ2=M×r×E2/(E1×J1+E2×J2),
где M – изгибающий момент, M=N×L (r – радиус костного «футляра» или радиус спицы используются в соответствующих уравнениях),
E1– модуль упругости губчатой кости принимаем в 200 Мпа,
E2– модуль упругости материала спицы, принимаем в 112000 Мпа,
J1J2– моменты инерции площадей сечений костного столбика и спицы соответственно.
J1=0,05d14(1–(d2/d1)4=0,8см4– для губчатого вещества кости,
J2=0,05d24=0,0000525см4– для спицы.
Определим предельную допустимую нагрузку:
– на изгиб костного вещества N1= [σ1]×(E1×J1+E2×J2)/L×r×E1=10,2 кгс;
– на изгиб спицы N2=[σ2]×(E1×J1+E2×J2)/L×r×E2=13,1 кгс.
Критерием прочности места перелома от действия изгибающего момента M будет предельная допустимая нагрузка на изгиб костного столбика N1=10,2кгс.
Срез и смятие зоны перелома вызывает поперечная составляющей N от нагрузки на конечность P. Рассмотрим схему нагружения зоны перелома поперечной нагрузкой (рис. 5, в).
В сечении а–а возникают касательные напряжения.
Условие прочности на срез: t≤[t], где [t] – допустимые касательные напряжение, для костного столбика принимаем [t]=3,4 Мпа, для спицы – [t]=220 Мпа;
t– касательные напряжения, определяются по формуле:
t=N/S, N=t×S,
где S – площадь сечения среза, для спицы – 0,025 см2, для костного столбика – 3,14 см2.
Предельно допустимая нагрузка на срез для спицы:N=[t]×S=54кгс
Предельно допустимая нагрузка на срез для костного столбика: N=[t]×S=104 кгс.
Таким образом, расчеты показывают, что критерием прочности места перелома от действия продольной составляющей F нагрузки на конечность P будет предельная допустимая нагрузка на сжатие F=188,1кгс;
критерием прочности места перелома от действия изгибающего момента M будет предельная допустимая нагрузка на изгиб губчатого вещества кости N1=10,2кгс;
критерием прочности места перелома от поперечной составляющей N нагрузки на конечность P будет предельно допустимая нагрузка на срез костного столбика N=104 кгс.
Критерием прочности зоны перелома считаем минимальную из предельных допустимых нагрузок. Следовательно, дополнительная нагрузка на конечность будет ограничена предельной нагрузкой на изгиб и будет равна P=N1/sin15°=39 кгс.
Для экспериментального животного (в нашем случае –это собака) реальные нагрузки при ходьбе (Р) намного ниже, поэтому мы не наблюдали никаких деформаций конечности после демонтажа аппарата Илизарова.
Расчеты свидетельствуют, что в реальной жизни врач-травматолог вполне может рассчитывать на прочность консолидации голени у больного при раннем демонтаже аппарата Илизарова для продольной нагрузки свыше180 кгс и нагрузки на срез (свыше 100 кгс).
Нагрузки на изгиб усилием, близким к 39 кгс, могут привести к повторному перелому, поэтому для профилактики необходима дополнительная иммобилизация травмированного сегмента в виде ортеза, который позволит увеличить допустимую нагрузку на конечность, сопротивляясь изгибу.
ЛИТЕРАТУРА
1.Бегун П.И., Афонин П.Н. Моделирование в биомеханике. М. : Высшая школа, 2004. 391с.
Begun PI, Afonin PN. Modelirovanie v biomekhanike [Modeling in biomechanics]. M: Vysshaia shkola, 2004. 391s.
2.Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты : карманный справ. М. : Додэка–ХХI, 2004. 320 с.
Bolton U. Konstruktsionnye materialy: metally, splavy, polimery, keramika, kompozity: karmannyi sprav [Structural materials: metals, alloys,
polymers, ceramics, composites: a pocket guide]. M: Dodeka–XXI, 2004. 320 s. 3.Гузеев Вит. Вас., Верещагин В.И., Гузеев Вас. Вит. Покрытия на основе фосфатных связующих // Стекло и керамика. 2000. No 6. С. 20–21.
Guzeev VV, Vereshchagin VI, Guzeev VV. Pokrytiia na osnove fosfatnykh sviazuiushchikh [Coatings based on phosphate binders]. Steklo i keramika. 2000;(6):20-21.
4.Способ нанесения гидроксиапатитовых покрытий : пат. 2158189 Рос. Федерации No 99106258/12 ; заявл. 30.03.1999 ; опубл. 27.10.2000.Pat. 2158189 RF. Sposob naneseniia gidroksiapatitovykh pokrytii [A procedure for application of hydroxyapatite coatings]. No 99106258/12 ; zaiavl. 30.03.1999 ; opubl. 27.10.2000.
5.Котельников Г.П., Миронов С.П. Травматология. Национальное руководство. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2008. 804с.
Kotel'nikov GP, Mironov SP. Travmatologiia. Natsional'noe rukovodstvo [Traumatology. A national guide]. M: GEOTAR-Media, 2008. 804 s.
6.Мартель И.И. Метод чрескостного остеосинтеза в системе комплексного лечения больных с тяжелыми открытыми повреждениями нижних конечностей : автореф. дис... д-ра мед. наук. Курган, 2006. 39 с.
Martel' II. Metod chreskostnogo osteosinteza v sisteme kompleksnogo lecheniia bol'nykh s tiazhelymi otkrytymi povrezhdeniiami nizhnikh
konechnostei [Transosseous osteosynthesis technique in the system of complex treatment of patients with severe open injuries of the lower limbs] [avtoref. diss... d-ra med. nauk]. Kurgan, 2006. 39 s.
7.Состояние травматолого–ортопедической службы в Российской федерации и методы высоких технологий в диагностике и лечении травматолого–ортопедических больных / С.П. Миронов, В. В. Троценко, Т. М. Андреева, М. М. Попова // Травматология и ортопедия XXI века : сб. тез. докл. VIII съезда травматологов–ортопедов России. Самара, 2006. Т. 1. С. 95-97.
Mironov SP, Trotsenko VV, Andreeva TM, Popova MM. Travmatologiia i ortopediia XXI veka: sb. tez. dokl. VIII s"ezda travmatologov–ortopedov Rossii [Traumatology and Orthopaedics of XXI century: Book of Abstracts of VIII Congress of Russian traumatologists and orthopaedists]. Samara, 2006;1:95-97.
8.Попков А.В. Управление репаративной регенерацией и гистогенезом тканей – основной путь профилактики неудовлетворительных исходов лечения пациентов ортопедо–травматологического профиля // Ошибки и осложнения в травматологии и ортопедии : материалы Всерос. науч.–практ. конф. с междунар. участием, посвящ. памяти проф. А.Н. Горячева. Омск, 2011. С. 36–37.
Popkov AV. Oshibki i oslozhneniia v travmatologii i ortopedii : materialy Vseros. nauch.–prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem, posviashch. pamiat iprof. A.N. Goriacheva [Errors and Complications in Traumatology and Orthopaedics: Materials of All-Russian Scientific-and-Practical Conference with international participation, devoted to the memory of Prof. A.N. Goriachev]. Omsk, 2011:36-37.
9.Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов : учеб. для вузов. 2–е изд., стер. СПб. : Лань, 2002. – 672 с.
Timoshenko SP, Gere Dzh. Mekhanika materialov: ucheb. dlia vuzov [Mechanics of materials: a textbook for high schools]. SPb: Lan’, 2002. 2–eizd. 672 s.
10.Феодосьев В.И. Сопротивление материалов : учеб. для вузов. 10–е изд., перераб. и доп. М. : Изд–во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. Т. 2. 592 с.
Feodos'ev VI. Soprotivlenie materialov: ucheb. dlia vuzov [Resistance of Materials: a textbook for high schools]. M: Izd–vo MGTU im. N.E.
Baumana. 10-e izd. 1999; T. 2. 592 s.1. Попков Арнольд Васильевич – ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России, главный научный сотрудник лаборатории коррекции деформаций и удлинения конечностей, д. м. н., профессор;
2. Попков Дмитрий Арнольдович – ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России, заведующий лабораторией коррекции деформаций и удлинения конечностей, д. м. н.
3. Ирьянов Юрий Михайлович – ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России, руководитель лаборатории морфологии, доктор биологических наук, профессор.
4. Волосников Александр Павлович – ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России, ведущий специалист патентной группы.
5. Антонов Николай Иванович – ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России, младший научный сотрудник лаборатории реконструктивного эндопротезирования и артроскопии, ветеринарный врач, к. б. н.
6. Бурлаков Эдуард Валентович – ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России, ведущий специалист патентной группы
Теги: спицы
234567 Начало активности (дата): 04.06.2020 11:21:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: эксперимент, собака, голень, кость, открытый перелом, интрамедуллярная спица, гидроскиапатит, репаративная регенерация, остеоиндукция, аппарат Илизарова, прочность консолидации, расчет
12354567899
Похожие статьи
Лечение переломов костей стопы при помощи аппарата ИлизароваРентген на дому 8 495 22 555 6 8
Травмы нижней конечности
Особенности гемодинамики в шейке бедренной кости у детей с асептическим некрозом головки бедра
Травмы плечевого пояса и верхней конечности
