Количество эндопротезирований тазобедрен­ного сустава в Российской Федерации ежегод­но растет, от 33 тыс. в год в 2008 году до 76 тыс. в 2019 году [4]. Данная тенденция, по прогнозам ряда авторов, в ближайшие десятилетия сохранит­ся [5, 6]

Несмотря на успешные результаты эндопротезиро­вания тазобедренного сустава, проблемы остеолизиса и асептического расшатывания имплантатов, вызванного частицами износа материалов пары трения, остаются нерешенными [7-9]. По данным ряда авторов, частота ревизионных вмешательств по причине асептического расшатывания составляет от 3 до 39,9 % [10-12]. Ос­новной причиной асептического расшатывания компо­нентов эндопротеза является перипротезный остеоли­зис, частота которого достигает 66 % от всех причин асептического расшатывания [13-15]. Остеолизис чаще всего возникает по причине образующихся в процессе функционирования трущихся поверхностей материа­лов пары трения частиц износа [16]. Частицы износа поглощаются макрофагами, что приводит к образова­нию большого количества цитокинов, которые активи­руют остеокласты и могут вызывать остеолиз вокруг эндопротеза, что впоследствии приводит к расшатыва­нию его компонентов [17, 18].

Варьируемым параметром являлся угол приложе­ния нагрузки к вкладышу узла подвижности. Уровни варьирования: 0° (вертикальное приложение нагруз­ки), 22,5° и 45°. Величина зазора между пироуглерод­ными частями головки и вкладыша равнялась 0,2 мм.

Углы приложения нагрузки были выбраны с целью определения наличия зависимости возникающих на­пряжений в конструкции от направления приложения нагрузки. Величина зазора варьировала в пределах тех­нологического допуска изделия.

При проведении расчетов напряженно-деформи­рованного состояния узла подвижности эндопротеза тазобедренного сустава из пиролитического углерода считается, что головка узла закреплена по внутренней поверхности втулки, а нагрузка к вкладышу узла под­вижности приложена под углом 0° (вертикальное при­ложение нагрузки), 22,5° и 45°.

Для проведения исследования максимальной ста­тической нагрузки на пару трения были изготовлены опытные образцы головки и вкладыша с монолитным и немонолитными частями пироуглерода. Конструкция компонентов соответствовала схемам, используемым в математическом моделировании (рис. 3, 4).

Исследование выполнялось на специализирован­ной установке TbcTester ИР5145-500. Угол приложения нагрузки составлял 45°.

РЕЗУЛЬТАТЫ

У обеих конструкций при всех рассматриваемых условиях нагружения максимальные значения отно­сительных напряжений возникают в местах концен­трации напряжений, которыми являются кромки или скругления на внутренней поверхности головки узла подвижности.

Вторым по значимости местом концентрации напря­жений является пятно контакта между сферическими поверхностями головки и вкладыша узла подвижности.

Высокий уровень относительных напряжений воз­никает при контакте торцевой поверхности титановой втулки с внутренней поверхностью головки. Контакт возникает при осевом приложении нагрузки и сопро­вождается возникновением высоких напряжений, име­ющих локальный характер.

При оценке конструкций головки с немонолит­ной пироуглеродной частью особенностью было то, что концентрации нагрузок приходились на зоны со­единения пироуглеродных частей. В одном экспери­ менте напряжение превысило прочность конструкции, что может быть причиной ее разрушения. У пары тре­ния с монолитным пироуглеродом запас прочности в 4,5 раза превысил напряжения, возникшие в ходе мо­делирования (табл. 1).

Таким образом, конструкция пары трения с монолит­ным пироуглеродом обеспечивает более низкий уровень относительных напряжений во всем рассматриваемом диапазоне углов приложения нагрузки по сравнению с конструкцией, в которой использовался немонолит­ный пироуглерод. У конструкции пары трения с немоно­литным пироуглеродом в эксперименте с приложением нагрузки по оси шейки произошло разрушение.

По результатам исследования на статическую на­грузку разрушение пары трения с немонолитным пироуглеродом было зафиксировано при 1,5 т. Раз­рушение началось с деформации полиэтиленового адаптера вкладыша, которое привело к разрушению углеродной вставки.

   

Разрушение пары трения с монолитным пироугле­родом наступило при нагрузке 3,5 т. Данный показа­тель в 5 раз превышает максимальные нагрузки, воз­никающие в тазобедренном суставе.

Таким образом, вариант конструкции пары тре­ния с монолитным пироуглеродом показал более вы­сокую сопротивляемость к статическим нагрузкам, чем конструкция пары трения с немонолитным пи­роуглеродом.

ОБСУЖДЕНИЕ

Достижения в области технологий, улучшенные материалы и лучшее понимание реакций естествен­ных тканей, безусловно, приведут к прорыву в вы­боре имплантатов. В связи со старением населения в последние годы увеличилось количество операций по замене суставов [23]. Следовательно, растет и ко­личество ревизионных операций, так как ожидае­мая продолжительность жизни пациентов больше, чем у эндопротезов [24-27].

Текущие тенденции в дизайне протезов подчер­кивают важность биосовместимости используемых материалов, которые при этом должны быть доста­точно прочны, чтобы выдерживать более активный образ жизни многих пациентов, при этом образуя минимальное количество продуктов износа. По­скольку основной проблемой, влияющей на долго­вечность протеза, является износ и распростране­ние частиц износа, в настоящее время проводятся обширные исследования по улучшению таких био­материалов, чтобы обеспечить «бесконечный срок службы эндопротеза».

Несмотря на имеющиеся на сегодняшний день ма­териалы для пар трения, такие как керамика, металлы, полиэтилен [28], использование углеродных материа­лов для пары трения видится нам крайне перспектив­ным направлением.

Несмотря на то, что надежность конструкции по­сле имплантации еще предстоит изучить, можно с уве­ренностью говорить о высокой механической проч­ности конструкции головки и вкладыша эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения из углеродного материала. Высокие трибологические характеристики материалов, содержащих углерод, описываются в ли­тературе, при этом отмечается, что улучшение износо­стойкости прямо пропорционально увеличению содер­жания углерода в материале [19].

Таким образом, применение материала с потенциалом кратно увеличить срок службы эндопротеза тазобедрен­ного сустава поможет существенно улучшить качество жизни таких пациентов и позволит увеличить возрастной диапазон применения данного вида оперативной помощи без риска ранних ревизионных вмешательств [29, 30].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технический результат. Заданные условия нагру­жения конструкций в математической модели во всех экспериментах выдержала только конструкция пары трения с монолитным пироуглеродом, запас проч­ности при этом составил 4,5. Конструкция пары тре­ния с немонолитным пироуглеродом в эксперименте с приложением нагрузки по оси шейки разрушилась. При сравнении максимальной статической нагрузки прочность конструкции с монолитным пироуглеродом в 2,3 раза превысила прочность конструкции с немоно­литным пироуглеродом.

Клиническая интерпретация. В соответствии с высокими прочностными характеристиками кон­струкции пары трения с монолитным пироуглеродом и недостаточной прочностью конструкции с немоно­литным пироуглеродом для клинической практики можно использовать только конструкцию с монолит­ным пироуглеродом.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1.  Корьяк В.А., Сороковиков В.А., Свистунов В.В., Шарова Т.В. Эпидемиология коксартроза. Сибирский медицинский журнал. 2013;(8):39-45.

2.  Mihalko WM, Haider H, Kurtz S, et al. New materials for hip and knee joint replacement: What's hip and what's in kneed? J Orthop Res. 2020;38(7):1436-1444. doi: 10.1002/jor.24750

3.  Neuprez A, Neuprez AH, Kaux JF, et al. Total joint replacement improves pain, functional quality of life, and health utilities in patients with late- stage knee and hip osteoarthritis for up to 5 years. Clin Rheumatol. 2020;39(3):861-871.  

4. Загородний Н.В. Состояние и качество травматолого-ортопедической помощи в Российской Федерации. Медицинский вестник МВД. 2019;(6(103)):2-6.

5. Загородний Н.В., Алексанян О.А., Чрагян Г.А. и др. Реконструкция вертлужной впадины с использованием компонентов из трабекулярного металла. Вестник травматологии и ортопедии им. Приорова. 2019;(26)1:5-10. 

6. Вороков А.А., Бортулев П.И., Хайдаров В.М. и др. Эндопротезирование тазобедренного и коленного суставов: показания к операции. Ор­топедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2020;8(3):355-364. doi: 10.17816/PTORS34164

7. Castiello E, Moghnie A, Tigani D, Affatato S. Dual mobility cup in hip arthroplasty: An in-depth analysis of joint registries. Artif Organs. 2022;46(5):804-812. doi: 10.1111/aor.14015

8.  Николаев Н.С., Пчелова Н.Н., Преображенская Е.В. и др. "Неожиданные" инфекции при асептических ревизиях. Травматология и орто­педия России. 2021;27(3):56-70. doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-3-56-70

9.  Kummerant J, Wirries N, Derksen A, et al. The etiology of revision total hip arthroplasty: current trends in a retrospective survey of 3450 cases. Arch Orthop Trauma Surg. 2020;140(9):1265-1273. doi: 10.1007/s00402-020-03514-3

10.    Румянцев Ю.И. Лучевая диагностика осложнений после эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов. Радиология - практи­ка. 2013;(1):37-45.

11.    Sharkey PF, Lichstein PM, Shen C, et al. Why are total knee arthroplasties failing today--has anything changed after 10 years? J Arthroplasty. 2014;29(9):1774-1778. doi: 10.1016/j.arth.2013.07.024

12.    Sadoghi P, Liebensteiner M, Agreiter M, et al. Revision surgery after total joint arthroplasty: a complication-based analysis using worldwide arthroplasty registers. J Arthroplasty. 2013;28(8):1329-32. doi: 10.1016/j.arth.2013.01.012

13.    Мурылев В.Ю., Усубалиев Б.Т., Музыченков А.В. и др. Остеопороз и асептическое расшатывание компонентов эндопротеза после эндо­протезирования суставов. Кафедра травматологии и ортопедии. 2022;(4):67-73. doi: 10.17238/2226-2016-2022-4-67-73

14.    Broomfield JA, Malak TT, Thomas GE, et al. The Relationship Between Polyethylene Wear and Periprosthetic Osteolysis in Total Hip Arthroplasty at 12 Years in a Randomized Controlled Trial Cohort. J Arthroplasty. 2017;32(4):1186-1191. 

15.    Брагина С.В. Современные возможности ранней лабораторной диагностики перипротезного остеолиза как предиктора развития асептиче­ской нестабильности эндопротеза тазобедренного сустава (обзор литературы). Гений ортопедии. 2020;26(2):261-265. doi: 10.18019/1028- 4427-2020-26-2-261-265

16.    Лапин Д.В., Паршиков М.В., Гурьев В.В. и др. Факторы риска и причины осложнений при эндопротезировании тазобедренного сустава (обзор литературы). Кафедра травматологии и ортопедии. 2022;(1):66-75. doi: 10.17238/2226-20162022-1-66-75

17.    Gallo J, Raska M, Mrazek F, Petrek M. Bone remodeling, particle disease and individual susceptibility to periprosthetic osteolysis. Physiol Res. 2008;57(3):339-349. doi: 10.33549/physiolres.931140

18.    Baranowska A, Plusa T, Baranowski P, et al. Is aseptic loosening of joint prostheses aseptic? Pol Merkur Lekarski. 2022;50(299):318-322. (In Polish.)

19.    Merola M, Affatato S. Materials for Hip Prostheses: A Review of Wear and Loading Considerations. Materials (Basel). 2019;12(3):495. doi: 10.3390/ ma12030495

20.    Affatato S, Spinelli M, Squarzoni S, et al. Mixing and matching in ceramic-on-metal hip arthroplasty: an in-vitro hip simulator study. J Biomech. 2009;42(15):2439-2446. doi: 10.1016/j.jbiomech.2009.07.031

21.    Al-Hajjar M, Jennings LM, Begand S, et al. Wear of novel ceramic-on-ceramic bearings under adverse and clinically relevant hip simulator conditions. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2013;101(8):1456-62. doi: 10.1002/jbm.b.32965

22.    Al-Hajjar M, Carbone S, Jennings LM, et al. Wear of composite ceramics in mixed-material combinations in total hip replacement under adverse edge loading conditions. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2017;105(6):1361-1368.  

23.    Kurtz SM, Ong KL, Schmier J, et al. Future clinical and economic impact of revision total hip and knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. 2007;89 Suppl 3:144-151. doi: 10.2106/JBJS.G.00587

24.    Kurtz S, Ong K, Lau E, et al. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030. J Bone Joint Surg Am. 2007;89(4):780-785. doi: 10.2106/JBJS.F.00222

25.    Rajeshshyam R, Chockalingam K, Gayathri V, Prakash T. Reduction of metallosis in hip implant using thin film coating. In AIP Conference Proceedings; AIP Publishing LLC: Melville. 2018;1943(1):020090. doi: 10.1063/1.5029666

26.    Мохаммади М.Т., Пашкевич Л.А., Эйсмонт О.Л. и др. Анализ патоморфологических изменений при первичном и ревизионном эндопроте­зировании коленного сустава. Медицинские новости. 2021;(2):56-59.

27.    Purudappa PP, Sharma OP, Priyavadana S, et al. Unexpected positive intraoperative cultures (UPIC) in revision Hip and knee arthroplasty - A review of the literature. J Orthop. 2019;17:1-6. doi: 10.1016/j.jor.2019.06.028

28.    Таштанов Б.Р., Корыткин А.А., Павлов В.В., Шубняков И.И. Раскол керамического вкладыша эндопротеза тазобедренного сустава: клини­ческий случай. Травматология и ортопедия России. 2022;28(3):63-73. 

29.    Mattei L, Di Puccio F, Ciulli E, et al. Experimental investigation on wear map evolution of ceramic-on-UHMWPE hip prosthesis. Tribol. Int. 2020;143:106068. doi: 10.1016/j.triboint.2019.106068

30.    Jager M, van Wasen A, Warwas S, et al. A multicenter approach evaluating the impact of vitamin e-blended polyethylene in cementless total hip replacement. Orthop Rev (Pavia). 2014;6(2):5285. doi: 10.4081/or.2014.5285

 

Информация об авторах:

1.  Александр Николаевич Митрошин - доктор медицинских наук, профессор, директор медицинского института

2.  Михаил Анатольевич Ксенофонтов - старший преподаватель

3.  Дмитрий Алексеевич Космынин - старший преподаватель

 

Вклад авторов:

Митрошин А.Н. - концептуализация; валидация; написание - рецензирование и редактирование; контроль; управление проектом.

Ксенофонтов М.А. - методология; формальный анализ; исследование; обработка данных; написание - первоначальный вариант; визуализа­ция, написание - рецензирование и редактирование.

Космынин Д.А. - исследование; написание - первоначальный вариант; обработка данных; визуализация.